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
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
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]
Als „Vakuum-Katastrophe” bezeichnet man den Umstand, dass der theoretisch
vorhergesagte Wert der Vakuumenergie des Universums um den Faktor
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.
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.
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” 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
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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