Bemerkenswert ist Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, in der die Schwerkraft aus der Krümmung der Raumzeit geboren wird. Es wurde mit einer unglaublichen Genauigkeit überprüft, in einigen Fällen bis zu fünfzehn Dezimalstellen. Eine ihrer interessantesten Vorhersagen war die Existenz von Gravitationswellen: Wellen in der Raumzeit, die sich frei ausbreiten. Vor nicht allzu langer Zeit wurden diese Wellen von den Detektoren LIGO und VIRGO erfasst.
Und doch gibt es viele Fragen, auf die wir noch keine Antworten haben. Die Quantengravitation könnte helfen, sie zu finden.
Wir wissen, dass die allgemeine Relativitätstheorie unvollständig ist. Es manifestiert sich gut, wenn die Quanteneffekte der Raumzeit völlig unsichtbar sind, was fast immer der Fall ist. Aber wenn die Quanteneffekte der Raumzeit groß werden, brauchen wir eine bessere Theorie: eine Theorie der Quantengravitation.
Eine Illustration des frühen Universums, bestehend aus Quantenschaum, als Quantenfluktuationen groß waren und sich im kleinsten Maßstab manifestierten
Da wir noch keine Theorie der Quantengravitation zusammengestellt haben, wissen wir nicht, was Raum und Zeit sind. Wir haben mehrere geeignete Theorien für die Quantengravitation, aber keine davon ist allgemein anerkannt. Basierend auf bestehenden Ansätzen können wir jedoch annehmen, was in der Theorie der Quantengravitation mit Raum und Zeit geschehen kann. Die Physikerin Sabine Hossfender hat zehn überraschende Beispiele gesammelt.
1) In der Quantengravitation wird es auch ohne Materie wilde Schwankungen in der Raumzeit geben. In der Quantenwelt ist das Vakuum niemals in Ruhe, ebenso wenig wie Raum und Zeit.
Auf der kleinsten Quantenskala kann das Universum mit winzigen mikroskopisch kleinen Schwarzen Löchern mit geringer Masse gefüllt werden. Diese Löcher können sich auf sehr interessante Weise nach innen verbinden oder ausdehnen.
2) Die Quantenraumzeit kann mit mikroskopisch kleinen Schwarzen Löchern gefüllt werden. Darüber hinaus kann es Wurmlöcher enthalten oder es können kindliche Universen geboren werden - wie kleine Blasen, die sich vom Universum der Mutter lösen.
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3) Und da dies eine Quantentheorie ist, kann die Raumzeit alles gleichzeitig tun. Es kann gleichzeitig ein Säuglingsuniversum erschaffen und nicht erschaffen.
Der Stoff der Raum-Zeit ist vielleicht überhaupt kein Stoff, sondern besteht aus diskreten Komponenten, die uns nur auf großen makroskopischen Skalen als kontinuierlicher Stoff erscheinen.
4) In den meisten Ansätzen zur Quantengravitation ist die Raumzeit nicht grundlegend, sondern besteht aus etwas anderem. Dies können Strings, Loops, Qubits oder Varianten von Raum-Zeit- "Atomen" sein, die in Ansätzen kondensierter Materie auftreten. Einzelne Komponenten können nur unter Verwendung der höchsten Energien zerlegt werden, die weit über denen liegen, die uns auf der Erde zur Verfügung stehen.
5) Bei einigen Ansätzen mit kondensierter Materie hat die Raumzeit die Eigenschaften eines festen oder flüssigen Körpers, dh sie kann elastisch oder viskos sein. Wenn dies zutrifft, sind die beobachteten Konsequenzen unvermeidlich. Physiker suchen derzeit nach Spuren ähnlicher Effekte in wandernden Teilchen, dh in Licht oder Elektronen, die uns aus dem fernen Raum erreichen.
Schematische Animation eines kontinuierlichen Lichtstrahls, der von einem Prisma gestreut wird. Bei einigen Ansätzen zur Quantengravitation kann der Raum als dispersives Medium für verschiedene Wellenlängen des Lichts wirken
6) Die Raumzeit kann beeinflussen, wie Licht durch sie hindurchgeht. Es ist möglicherweise nicht vollständig transparent, oder Licht unterschiedlicher Farben kann sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Wenn die Quantenraumzeit die Ausbreitung von Licht beeinflusst, kann dies auch in zukünftigen Experimenten beobachtet werden.
7) Schwankungen der Raumzeit können die Fähigkeit von Licht von entfernten Quellen zerstören, Interferenzmuster zu erzeugen. Dieser Effekt wurde zumindest im sichtbaren Bereich gesucht und nie gefunden.
Licht, das durch zwei dicke Schlitze (oben), zwei dünne Schlitze (Mitte) oder einen dicken Schlitz (unten) fällt, zeigt Interferenzen, die auf seine Wellennatur hinweisen. In der Quantengravitation sind jedoch einige der erwarteten Interferenzeigenschaften möglicherweise nicht möglich.
8) In Bereichen mit starker Krümmung kann sich Zeit in Raum verwandeln. Dies kann zum Beispiel in Schwarzen Löchern oder in einem Urknall passieren. In diesem Fall kann sich die uns bekannte Raumzeit mit drei räumlichen und dimensionalen und einer zeitlichen in einen vierdimensionalen "euklidischen" Raum verwandeln.
Die Verbindung zweier verschiedener Orte in Raum oder Zeit durch ein Wurmloch bleibt nur eine theoretische Idee, kann aber nicht nur interessant, sondern auch in der Quantengravitation unvermeidlich sein
Die Raumzeit kann nicht lokal mit winzigen Wurmlöchern verbunden werden, die das gesamte Universum durchdringen. Solche nicht lokalen Verbindungen müssen in allen Ansätzen existieren, deren zugrunde liegende Struktur nicht geometrisch ist, wie z. B. ein Graph oder ein Netzwerk. Dies liegt an der Tatsache, dass in solchen Fällen das Konzept der "Nähe" nicht grundlegend, sondern impliziert und unvollkommen ist, so dass entfernte Regionen versehentlich verbunden werden können.
10) Um die Quantentheorie mit der Schwerkraft zu kombinieren, müssen wir möglicherweise nicht die Schwerkraft, sondern die Quantentheorie selbst aktualisieren. Wenn ja, werden die Konsequenzen weitreichend sein. Da die Quantentheorie das Kernstück aller elektronischen Geräte ist, eröffnet ihre Überarbeitung völlig neue Möglichkeiten.
Obwohl die Quantengravitation oft als hochtheoretische Idee angesehen wird, gibt es viele Möglichkeiten zur experimentellen Verifizierung. Wir alle reisen jeden Tag durch die Raumzeit. Ihn zu verstehen kann unser Leben verändern.
Ilya Khel
