Wirbelstrukturen im
4 - dimensionalen
gekrümmten Raum
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Phänomene der Physik − Teil 2




Quantenmechanik vs. Allgemeine Relativitäts­theorie (ART)

Sowohl die QT als auch die ART weisen jede für sich Probleme auf. Beide Theorien sind vom Grund­satz her sehr verschieden. Weder die eine noch die andere Theorie kann für sich allein in Anspruch nehmen, eine voll­ständige und konsistente Beschrei­bung der Wirklich­keit wieder­zugeben. Soll die Physik insgesamt logisch und nahezu widerspruchs­frei sein, brauchen wir eine Theorie, welche die QT und die ART in irgendeiner Form vereinigt.[6][7]

Eine neuere Theorie der „Quanten­gravitation”, die sowohl die QT als auch die ART ersetzen soll, muss deren innere Wider­sprüche auflösen und dennoch beide Theorien als Grenz­fälle enthalten. Sie muss aber auch dieselben Aussagen über die Natur beinhalten, die uns die Standard­modelle der Teilchen­physik und der modernen Kosmologie bereits geliefert haben. Außerdem muss sie ein zentrales Problem der QT beantworten, nämlich die Frage, wo die Trenn­linie zwischen klassischer und quanten­mechanischer Welt verläuft.[6]

Die ART weist das Problem auf, dass sie die Existenz Schwarzer Löcher mit einer Singularität in ihrem Zentrum nicht erklärbar macht. Die klassische Physik geht davon aus, dass Punkte unendlicher Raum­krümmung und unendlicher Dichte mit der ART nicht konform gehen. Will man diese Phänomene beschreiben, versagen alle bekannten Gesetze der Physik.[6]

Des Weiteren ist die Urknall-Singularität mit unendlicher Dichte und Temperatur mit der ART nicht vereinbar.[7]

In den nachfolgenden Kapiteln werden wir sehen, dass es keine Verein­barkeit geben wird, weil das klassische Modell des Urknalls ein Modell ist, von dem man sich endgültig lösen sollte. Zumindest in der Form, wie man es sich zum Teil heute noch vorstellt, erklärt es nur unzureichend unser gegen­wärtiges Verständnis von der Gestalt des Universums. Albert Einstein hat zwar das Vorhanden­sein von Schwarzen Löchern nicht für möglich gehalten, dennoch sind sie mit seiner Theorie durchaus vereinbar. Vielleicht liegt es auch daran, dass man auch das Verständnis der Schwarzen Löcher über­denken muss, insbesondere das Thema Singularität. Ein Schritt in die richtige Richtung ist zum Beispiel die Entdeckung Stephen Hawkings, dass Schwarze Löcher zerstrahlen können. Das ist eine quantenfeld­theoretische Erkenntnis, die den Voraussagen der ART im ersten Moment zu wider­sprechen scheint.[6] Das liegt aber einzig und allein daran, dass Einstein leider nicht mehr die Gelegen­heit hatte, seine Theorie weiter auszubauen.

Die QT weist dagegen das Problem auf, dass in den mathe­matischen Ausdrücken sehr große Terme auftreten, die letztlich mit Hilfe ausgefeilter Vorschriften beseitigt werden müssen.

Außerdem muss die Frage nach der Beschaffen­heit von Raum und Zeit bei kleinsten Abständen beantwortet werden. Hier geht es vor allem um die sogenannte Planck-Länge (1035m) und der Planck-Zeit (1043s).[6] Sind Raum und Zeit kontinuierlich, wie es die ART annimmt, oder sind Raum und Zeit quantisiert? Das heißt, besteht der Raum aus Volumen­elementen, die sich nicht noch weiter aufspalten lassen? Und läuft die Zeit in winzigen, diskreten Schritten ab?[8] Die Raumzeit würde somit eine körnige Struktur aus hypo­thetischen Raumzeit-Atomen aufweisen, analog zu den Atomen der Materie.[7] Vielleicht haben wir ja ähnlich dem Welle-Teilchen-Dualismus beim Licht, ein Welle-Quanten-Dualismus bei den subatomaren Teilchen?




Die Theorie der Quantengravitation

Ein zentrales Problem einer „Theorie der Quanten­gravitation” wäre, dass die Raumzeit­geometrie nicht mehr als vorgegeben angenommen werden kann, sondern dass die Raumzeit­geometrie selbst Quanten­fluktuationen unterliegt.[6] Um dieses Problem zu verifizieren, gibt es verschiedene Lösungsansätze.

Zum einen versucht die kanonische Quantisierung die Raumzeit­geometrie direkt zu quantisieren. Dies führt zur Wheeler-DeWitt-Gleichung, die das gesamte Universum durch eine einzige Wellen­funktion des Universums beschreibt. In diesem Fall müssten nicht nur subatomare Partikel quanten­mechanisch als Wahrscheinlich­keits­wellen beschrieben werden, sondern der gesamte Kosmos. Das Problem dabei ist gegen­wärtig, dass die quanten­mechanischen Seltsam­keiten in der klassischen Welt nicht beobachtet werden. Wie also geht unsere klassische Welt aus einem rein quanten­mechanischen System hervor?[6]

Zum anderen beschreitet man den Weg der Schleifen­quanten­gravitation. Dieser Theorie zufolge besteht der Raum aus diskreten Volumen­stücken von der Minimal­größe eines Planck-Volumens (1099cm3), und die Zeit schreitet in Sprüngen von der Größen­ordnung einer Planck-Zeit (1043s) fort.[8]

Ungeklärt bleibt aber die Frage, wie und ob diese Struktur bei makro­skopischen Abständen in ein glattes Raumzeit­kontinuum übergeht. Nur in einem solchen Fall nämlich könnte die ART als Grenz­fall in der Theorie enthalten sein. Weitere Erklärungs­versuche sind die „Super­gravitation”, die „String­theorie, die M-Theorie und die Twistor-Theorie.

Eine der zentralen Fragen ist auch, ob eine konsistente Theorie eine Kraft beinhalten würde, deren Träger das hypo­thetische Graviton ist, oder wäre sie das Ergebnis der quantisierten Struktur der Raumzeit selbst? Und es bleibt noch die Frage offen, ob es Abweichungen von den Vorher­sagen der ART sowohl im mikro­skopischen als auch im makro­skopischen Bereich gibt, die von einer Theorie der Quanten­gravitation herrühren? Gemäß der Schleifen­quanten­gravitation pflanzt sich das Licht unter­schiedlicher Wellen­länge verschieden schnell fort. Je kleiner die Wellen­länge, desto stärker verzerrt das Raumzeit­gitter die Welle, die aus den Raumzeitatomen besteht.[8]




Vakuum-Katastrophe

Als „Vakuum-Katastrophe” bezeichnet man den Umstand, dass der theoretisch vorhergesagte Wert der Vakuum­energie des Universums um den Faktor 10120 größer ist als der tatsächlich beobachtete Wert. [5] Was ist die Ursache für diese enorme Diskrepanz? Und warum hat die vorher­gesagte Masse des Quanten­vakuums so geringe Auswirkungen auf die Expansion des Universums?




Informationsparadoxon Schwarzer Löcher

Gemäß dem Keine-Haare-Theorem ist das Verhalten eines Schwarzen Loches nach außen hin voll­ständig durch seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Dreh­impuls bestimmt. Außerdem kann es im Rahmen der Quanten­physik keinen Verlust von Infor­mationen geben. Führende Wissen­schaftler fragen sich, was mit den Infor­mationen passiert, die in den Objekten enthalten ist, wenn sie von einem schwarzen Loch aufgesogen werden?

Dieses Paradoxon ist eng verwandt mit der Frage, wie Quanten­physik und Allgemeine Relativitäts­theorie in Einklang gebracht werden können. Vermutlich gehen gar keine Informa­tionen verloren. Sie scheinen sich nur unserem Auge zu entziehen, weil sich die Teilchen schneller als das Licht bewegen. Es gibt eine Theorie die besagt, dass die Geschwindig­keit des Lichts variiert. Es war Einstein selbst, der eine variable Licht­geschwindig­keit für möglich hielt. Wir werden später noch darauf eingehen.

Es wäre durchaus denkbar, dass es eine universelle Geschwindig­keit gibt, die über der Licht­geschwindig­keit angesiedelt ist. Die bisher nicht sicht­baren Teilchen, die aus einer hoch­energe­tischen Strahlung bestehen, könnten womöglich mit Technologien sichtbar gemacht werden, die uns heute noch nicht zur Verfügung stehen. Vorher müssten wir die Schwan­kungen des Lichts erst richtig verstehen.




Kosmische Zensur

Roger Penrose stellte 1969 die Hypothese auf, dass im Universum nackte Singulari­täten nicht existieren können. Ist es möglich, diese Hypothese aus den allgemeineren physika­lischen Prinzipien abzuleiten? Oder können nackte Singulari­täten aus realistischen Anfangs­bedingungen entstehen? Eine nackte Singularität ist in der Allgemeinen Relativitäts­theorie (ART) eine Art gravitative Singularität. Man versteht darunter einen hypothe­tischen Punkt der Raumzeit mit unendlicher Krümmung, und dass diese Singularität im Unterschied zu einem Schwarzen Loch nicht von einem Ereignis­horizont umgeben ist.

Die Existenz solcher Singularitäten würde bedeuten, dass es möglich wäre, einen perfekten Gravitations­kollaps von außen zu beobachten. Stephen Hawking und Roger Penrose hatten Ende der 1960er Jahre unter sehr allgemeinen Voraus­setzungen gezeigt, dass in der Allgemeinen Relativitäts­theorie grundsätzlich mit Singularitäten zu rechnen ist und diese nicht vermieden werden können.




Zusätzliche Dimensionen

Gibt es in der Natur mehr als 4 Raumzeit-Dimensionen? Einige der bekanntesten Theorien postulieren mehr als 4 Raumzeit-Dimensionen. So gehen zum Beispiel die String-Theorie von 10 Dimensionen aus, die Super­gravitation von 11, die Bosonische String-Theorie von 26 und die M-Theorie von 11 Dimensionen.

Alles, was die 4 Raumzeit-Dimensionen über­schreitet, liegt vermutlich im spekulativen Bereich, weil man bis heute noch keinen fundamentalen Lösungs­ansatz gefunden hat. Wie wollen wir vor allem höhere Raumzeit-Dimensionen experimentell nachweisen?




Lokalität

„Lokalität” bezeichnet in der Physik die Eigen­schaft einer Theorie, dass Vorgänge nur Auswirkungen auf ihre direkte räumliche Umgebung haben. Es geht prinzipiell um die Frage, ob oder unter welchen Bedingungen ein Ereignis ein anderes Ereignis beein­flussen kann. Gemäß der Bellschen Ungleichung ist eine physikalische Theorie lokal, wenn sich bei zwei räumlich getrennten Teilchen die Wahl dessen, was beim einen Teilchen gemessen wird, bei der Messung nicht unmittelbar auf das andere Teilchen auswirkt. Die Quanten­mechanik verletzt aber die Bellsche Ungleichung.

Daraus ergeben sich einige interessante Fragestellungen: Gibt es außer der Quanten­verschränkung noch andere nicht-lokale Phänomene in der Quanten­physik? Können Informationen und Eigen­schaften auch in einer nicht-lokalen Weise über­tragen werden? Unter welchen Bedingungen werden nicht-lokale Phänomene beobachtet? Was sagt die Existenz bzw. Nicht­existenz von nicht-lokalen Phänomenen über die fundamentale Struktur der Raumzeit aus? Welcher Zusammen­hang besteht zwischen nicht-lokalen Phänomenen und Quanten­verschränkung? [9]




Vermutung zum Schutz der Zeitordnung

Die „Vermutung zum Schutz der Zeit­ordnung” bzw. der Zeitfolge (engl. chronology protection conjecture bzw. CPC) wurde von Stephen Hawking formuliert. [10] Der Grund dafür hat mit einigen Lösungen für Gleichungen der Allgemeinen Relativitäts­theorie zu tun. In den Lösungen tauchen geschlossenen zeitartige Kurven auf (engl. closed timelike curves bzw. CTC), die die Möglich­keit von Zeitreisen auf der Zeitachse rückwärts beinhalten.

Selbst bei einer geschlossenen zeitartigen Kurve stellt sich immer die Frage, ob die Umkehr­barkeit eines Ereignisses gegeben ist. Rechnerisch mag es zwar möglich sein, an genau dem gleichen Punkt rauszukommen. Aber der Zeitstrahl wird trotzdem immer nur in eine Richtung laufen.

Dies war nur eine Auswahl der vielfältigen physika­lischen Problem­stellungen, die nicht nur vielen theoretischen Physikern gegen­wärtig Kopfschmerzen bereiten. Vielleicht lassen sich einige dieser Rätsel lösen oder zumindest Lösungs­wege aufzeigen, wenn wir im weiteren Verlauf einige Grund­prinzipien der Natur mit einfließen lassen.

Quellen

[6] Hermann Nicolai: Auf dem Weg zur Physik des 21. Jahrhunderts, Spektrum der Wissenschaft, November 2008, S. 31-34.
[7] Martin Bojowald: Der Ur-Sprung des Alls, Spektrum der Wissenschaft, 05/2009, S. 27.
[8] Lee Smolin: Quanten der Raumzeit, Spektrum der Wissenschaft, Mai 2005, S. 32-34.
[9] Remigiusz Augusiak, Maciej Demianowicz, Antonio Acin: Local hidden--variable models for entangled quantum states
[10] http://www.wissenschaft.de/home/-/journal_content/ 56/12054/54728/





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