Wir haben allen Grund zu der Annahme, dass die Schwerkraft von Natur aus eine Quantentheorie ist. Aber wie können wir das ein für alle Mal beweisen? Dr. Sabina Nossenfelder, theoretische Physikerin, Expertin für Quantengravitation und Hochenergiephysik, spricht darüber. Weiter von der ersten Person.
Wenn Sie ein gutes Sehvermögen haben, sind die kleinsten Objekte, die Sie sehen können, ungefähr ein Zehntel Millimeter: ungefähr die Breite eines menschlichen Haares. Fügen Sie Technologie hinzu, und die kleinste Struktur, die wir bisher messen konnten, war etwa 10 bis 19 Meter, was der Wellenlänge von Protonen entspricht, die am LHC kollidieren. Wir haben 400 Jahre gebraucht, um vom primitivsten Mikroskop zum Bau des LHC zu gelangen - eine Verbesserung um 15 Größenordnungen über vier Jahrhunderte.
Es wird geschätzt, dass die Quanteneffekte der Schwerkraft auf Entfernungsskalen von etwa 10 bis 35 Metern relevant werden, die als Planck-Länge bekannt sind. Dies ist ein weiterer Pfad mit 16 Größenordnungen oder ein anderer Faktor von 1016 in Bezug auf die Kollisionsenergie. Dies lässt Sie sich fragen, ob dies überhaupt möglich ist oder ob alle Bemühungen, eine Quantentheorie der Schwerkraft zu finden, für immer eine müßige Fiktion bleiben werden.
Ich bin ein Optimist. Die Geschichte der Wissenschaft ist voll von Menschen, die dachten, dass vieles unmöglich sei, aber tatsächlich stellte sich heraus, dass es umgekehrt war: Messung der Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne, Maschinen, die schwerer als Luft sind, Erfassung von Gravitationswellen. Daher halte ich es nicht für unmöglich, die Quantengravitation experimentell zu testen. Es kann zehn oder Hunderte von Jahren dauern - aber wenn wir in Bewegung bleiben, können wir eines Tages möglicherweise die Auswirkungen der Quantengravitation messen. Nicht unbedingt durch direktes Erreichen der nächsten 16 Größenordnungen, sondern durch indirekte Detektion bei niedrigeren Energien.
Aber aus dem Nichts wird nichts geboren. Wenn wir nicht darüber nachdenken, wie sich die Auswirkungen der Quantengravitation manifestieren und wo sie auftreten könnten, werden wir sie definitiv nie finden. Mein Optimismus wird durch ein wachsendes Interesse an der Phänomenologie der Quantengravitation angeheizt, einem Forschungsgebiet, das sich der Untersuchung widmet, wie man am besten nach Manifestationen von Quantengravitationseffekten sucht.
Da für die Quantengravitation keine einheitliche Theorie erfunden wurde, konzentrieren sich die derzeitigen Bemühungen, beobachtbare Phänomene zu finden, darauf, Wege zu finden, um die allgemeinen Merkmale der Theorie zu testen, indem nach Eigenschaften gesucht wird, die in verschiedenen Ansätzen zur Quantengravitation gefunden wurden. Zum Beispiel Quantenfluktuationen in der Raumzeit oder das Vorhandensein einer "Mindestlänge", die die grundlegende Auflösungsgrenze markiert. Solche Effekte könnten unter Verwendung mathematischer Modelle bestimmt werden, und dann könnte die Stärke dieser möglichen Effekte geschätzt werden und um zu verstehen, welche Experimente die besten Ergebnisse liefern könnten.
Das Testen der Quantengravitation wurde lange Zeit außerhalb der Reichweite von Experimenten betrachtet. Schätzungen zufolge benötigen wir einen Kollider von der Größe der Milchstraße, um Protonen ausreichend zu beschleunigen, um eine messbare Anzahl von Gravitonen (Quanten des Gravitationsfeldes) zu erzeugen, oder wir benötigen einen Detektor von der Größe von Jupiter, um Gravitonen zu messen das sind überall geboren. Nicht unmöglich, aber sicherlich nicht etwas, das in naher Zukunft zu erwarten ist.
Werbevideo:
Solche Argumente betreffen jedoch nur den direkten Nachweis von Gravitonen, und dies ist nicht die einzige Manifestation der Auswirkungen der Quantengravitation. Es gibt viele andere beobachtbare Konsequenzen, die die Quantengravitation hervorrufen kann, von denen wir einige bereits gesucht haben und von denen wir einige suchen. Bisher sind unsere Ergebnisse rein negativ. Aber auch negative sind wertvoll, weil sie uns sagen, welche Eigenschaften die Theorie, die wir brauchen, möglicherweise nicht hat.
Eine überprüfbare Folge der Quantengravitation kann beispielsweise das Brechen der Symmetrie sein, das für die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie von grundlegender Bedeutung ist und als Lorentz-Invarianz bekannt ist. Interessanterweise sind die Verstöße gegen die Lorentz-Invarianz nicht unbedingt gering, selbst wenn sie in Entfernungen auftreten, die zu klein sind, um beobachtet zu werden. Das Brechen der Symmetrie hingegen wird die Reaktionen vieler Teilchen bei verfügbaren Energien mit unglaublicher Präzision durchdringen. Es wurden noch keine Hinweise auf Verstöße gegen die Lorentz-Invarianz gefunden. Es mag spärlich erscheinen, aber da Sie wissen, dass diese Symmetrie mit der höchsten Genauigkeit der Quantengravitation beobachtet werden muss, können Sie dies bei der Entwicklung einer Theorie verwenden.
Andere überprüfbare Konsequenzen könnten im schwachen Feld der Quantengravitation liegen. Im frühen Universum sollten Quantenschwankungen in der Raumzeit zu Temperaturschwankungen in der Materie geführt haben. Diese Temperaturschwankungen werden heute beobachtet und in die Hintergrundstrahlung (CMB) eingeprägt. Der Abdruck von "primären Gravitationswellen" auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund wurde noch nicht gemessen (LIGO ist dafür nicht empfindlich genug), es wird jedoch erwartet, dass er innerhalb von ein bis zwei Größenordnungen der aktuellen Messgenauigkeit liegt. Viele experimentelle Kooperationen arbeiten auf der Suche nach diesem Signal, darunter BICEP, POLARBEAR und das Planck-Observatorium.
Eine andere Möglichkeit, die Grenze des schwachen Feldes der Quantengravitation zu testen, besteht darin, große Objekte in eine Quantenüberlagerung einzuführen: Objekte, die viel schwerer als Elementarteilchen sind. Dies wird das Gravitationsfeld stärker machen und möglicherweise sein Quantenverhalten testen. Die schwersten Objekte, die wir bisher in eine Überlagerung eingebunden haben, wiegen etwa ein Nanogramm, was mehrere Größenordnungen weniger ist als zur Messung des Gravitationsfeldes erforderlich. Kürzlich schlug eine Gruppe von Wissenschaftlern in Wien ein experimentelles Schema vor, mit dem wir das Gravitationsfeld viel genauer als zuvor messen können. Wir nähern uns langsam dem Quantengravitationsbereich.
(Beachten Sie, dass sich dieser Begriff in der Astrophysik unterscheidet, wo "starke Schwerkraft" manchmal verwendet wird, um sich auf etwas anderes zu beziehen, beispielsweise auf große Abweichungen von der Newtonschen Schwerkraft, die in der Nähe von Ereignishorizonten des Schwarzen Lochs auftreten können.)
Die starken Auswirkungen der Quantengravitation könnten auch einen Eindruck (außer schwachen Feldeffekten) in CMB (Reliktstrahlung) hinterlassen, insbesondere in Bezug auf die Art der Korrelationen, die zwischen Schwankungen gefunden werden können. Es gibt verschiedene Modelle der String-Kosmologie und der Quantenschleifen-Kosmologie, die beobachtbare Konsequenzen untersuchen, und vorgeschlagene Experimente wie EUCLID, PRISM und dann WFIRST finden möglicherweise frühe Hinweise.
Es gibt eine andere interessante Idee, die auf einem neueren theoretischen Befund basiert, wonach der Gravitationskollaps der Materie möglicherweise nicht immer ein Schwarzes Loch bildet - das gesamte System wird die Bildung des Horizonts vermeiden. In diesem Fall gibt uns das verbleibende Objekt einen Blick auf die Region mit Quantengravitationseffekten. Es ist jedoch nicht klar, nach welchen Signalen wir suchen sollten, um ein solches Objekt zu finden, aber dies ist eine vielversprechende Suchrichtung.
Es gibt viele Ideen. Eine große Klasse von Modellen befasst sich mit der Möglichkeit, dass Quantengravitationseffekte der Raumzeit die Eigenschaften eines Mediums verleihen. Dies kann zu Lichtstreuung, Doppelbrechung, Dekohärenz oder Opazität des Hohlraums führen. Man kann nicht alles auf einmal erzählen. Aber ohne Zweifel gibt es noch viel zu tun. Die Suche nach Beweisen dafür, dass die Schwerkraft tatsächlich eine Quantenkraft ist, hat bereits begonnen.
ILYA KHEL
