Was ist Quantengravitation?

12 Antworten

Hallo eggla666,

Ich verstehe garnix mehr :(

Erst mal ein beruhigendes KEINE PANIK

=D

Alles andere wäre erstaunlich. Du fragst hier nach praktisch der gesamten Physik des 20. Jahrhunderts und zum Teil auch nach Hypothesen, die aktuell noch von theoretischen Physikern entwickelt werden, unbelegt sind und aufgrund ihrer Kompliziertheit keinerlei Rolle in der populärwissenschaftlichen Literatur spielen.

Die Quantenmechanik lernt man im fünften und sechsten Semester, wenn man Physik studiert.

Die Thermodynamik im siebten Semester.

Die Allgemeine Relativitätstheorie hört man üblicherweise erst, wenn man in Physik promoviert, nicht aber auf dem Weg zum Master of Science in Physik.

Schleifenquantentheorie und Stringtheorie, sowie die M-Theorie sind aktuell diskutierte Hypothesen, um die man in aller Regel auch als Doktor der Physik herumkommt. Weltweit findest Du nur rund 100 Leute, die zur Stringtheorie veröffentlichen.

Was ich hiermit sagen will:

Wenn Du da auf Wiki oder ähnlichen Plattformen ein paar Zeilen dazu liest, dann kommen da natürlich derartig viel Fachausdrücke drin vor, dass jeder, der nicht damit arbeitet, seine Schwierigkeiten kriegt. Es gibt eine Menge Physiker - mich eingeschlossen - die da ihre Schwierigkeiten kriegen.

Ok? Also: Keine Panik.

=D

Was ist denn das Ganze jetzt?

Früher einmal, noch so vor 200 Jahren, da war die Welt des Physikers ganz, ganz einfach. Wir hatten die Formeln des guten alten Newton über Kräfte und Körper und Bewegungen. Und konnten alles berechnen. Fein.

Ja. Und dann haben sich halt die Messinstrumente verbessert. Und man konnte Beobachtungen in Wertebereiche hinein machen, die man bis dahin noch nicht beobachtet hatte. Und das hat unser Wissen über die Welt enorm erweitert. Man entdeckte, dass Atome einen inneren Aufbau haben; man entdeckte die Radioaktivität.... kurz: man drang immer tiefer ein in die Frage, wie die Welt im allerkleinsten und im allergrößten beschaffen ist.

Und bei all diesen Phänomenen reichte der gute alte Newton nicht mehr.

Planck musste erkennen, dass er die Lichtkurven von fernen Sternen nur erklären konnte, wenn er eine ganz merkwürdige Annahmen machte: Dass es ein kleinstes mögliches Energiepaket gibt, das er "Quant" nannte. Er konnte die Lichtkurven also nur erklären, wenn er annahm, dass Licht nicht - wie bis dahin bestens bestätigt - eine Welle war, sondern ein Strom aus Teilchen.

In der Welt der Atome und subatomaren Teilchen spielt dies eine sehr große Rolle. Wenn wir versuchen, Vorhersagen für Experimente mit Elementarteilchen mit der Newtonschen Mechanik zu machen, dann sind diese Vorhersagen falsch. Nicht nur ein bissi. Sondern richtig krachfalsch.

Die Newtonsche Mechanik gilt einfach nicht in der Welt der Teilchen, die so klein sind, dass sie von diesen Quanteneffekten etwas "merken". Schrödinger, Heisenberg, Dirac und ein paar andere haben eine neue Physik gefunden, die diese Welt der allekleinsten Dinge gut beschreibt: Und das ist die Quantenmechanik oder Quantentheorie.

Die Formeln der Quantenmechanik sind so, dass sie in die Newtonschen Formeln übergehen, wenn die betrachteten Objekte groß werden und die Quanteneffekte keine Rolle mehr spielen.

Aber auch an anderer Stelle kam man mit den Newtonschen Formeln allein nicht mehr aus. Einstein zeigt in seiner Speziellen Relativitätstheorie, dass wir unsere klassischen Vorstellungen von Raum und Zeit aufgeben müssen. Wie die Zeit verläuft, das hängt davon ab, wie wir uns durch den Raum bewegen. In der SRT beschreibt er die Effekte für zwei relativ zueinander gleichförmig bewegte Beobachter, in der Allgemeinen Relativitätstheorie betrachtet er Effekte, die durch Beschleunigungen zustande kommen.

Weil hier als Basisüberlegung erkannt wird, dass wir Beschleunigungen nicht von Gravitationsanziehung unterscheiden können, wird diese ART zu einer völlig neuen Theorie der Gravitation. Das, was Newton noch als "Schwerkraft" zwischen zwei Körpern sah, wird bei Einstein zu einem Effekt, den wir deshalb sehen, weil Massen die Raumzeit um sich herum verändern - und sich sich Objekte deshalb in ihrer Nähe anders bewegen, als wir es erwarten.

Seit spätestens Mitte des letzten Jahrhunderts versuchen Physiker nun, die Formeln der Quantenmechanik und der ART unter einen Hut zu bringen. Beide passen zwar bestens zur Newtonschen Mechanik, aber nicht so richtig zueinander. Wir haben keine physikalische Theorie, die uns richtige Vorhersagen macht, für Systeme, die sehr klein UND sehr schwer oder energiereich sind.

Und das ist dumm, denn für den Urknall brauchen wir genau das. Beim Urknall - oder besser ganz kurz danach - haben wir alles im beobachtbaren Universum  in einem winzig, winzig kleinen Raumvolumen. Also alles: Raum und das, was drin ist. Der Anfang des Universums ist also heiß und dicht und winzig.

Wir bräuchten eine Theorie, die das alles kann. Und die fehlt uns, weil wir die Graviation, die wir mit der ART beschreiben, nicht mit den Quanteneffekten zusammengepfriemelt bekommen.

Aber es gibt ein paar Ansätze.

Ein Ansatz sind die Stringtheorien - Plural, denn um es ein wenig unübersichtlicher zu machen, gibt es 5 sich ergänzende Stringtheorien. Ihnen liegt die Vorstellung zugrunde, dass alle Elementarteilchen durch Schwingungen von sogenannten "Strings" oder "Branen" zustande kommen. In diesem Bild sind also unsere Elementarteilchen gar nicht elementar, sondern Anregungszustände höherdimensionaler schwingender Strings.

Die M-Theorie (wie "Mutter") ist eine sehr allgemeine übergeordnete Theorie, die versucht, alle diese einzelnen Stringtheorien in einer geschlossenen Form zusammenzufassen. Die Idee ist die Vorstellung, dass wir mit diesen einzelnen Stringtheorien jeweils Facetten einer übergeordneten Theorie sehen. Das wäre dann die M-Theorie.

Die Schleifenquantentheorie ist ein konkurrierender Versuch, eine Quantentheorie der Gravitation zu formulieren. Die Modellvorstellung hier ist, dass der Raum selbst auch quantisiert ist, also auf der kleinsten Größenordnung auch körnig.

Zu beiden Modellen - den Strings und den Schleifen - habe ich hier mal etwas geschrieben:

https://www.gutefrage.net/frage/stringtheorie-und-der-urknall-hilfeee?foundIn=unknown_listing

Wichtig ist, dass beides komplett unbestätigt ist. Richtigerweise müsste man also eher von Hypothesen sprechen. Die Mathematik ist hochgradig komplex. Gerade die Stringtheorien hinken an dem Problem, dass sie keine konkreten testbaren Vorhersagen machen für Wertebereiche, die wir testen können - in Teilchen beschleunigern z.B.

Die Stringtheorien benötigen aber um richtig sein zu können etwas, was wir "SuSy" nennen - Supersymmetrie. Ohne jetzt im Detail das auch noch zu erklären: Wir müssten dann sehr viele weitere Elementarteilchen beobachten: zu jedem unserer bekannten Elementarteilchen müsste es sogenannte "supersymmetrische Partner" geben.

Und im Prinzip suchen wir nach denen am LHC am CERN. Die leichtesten dieser Partner sollten eigentlich bei den Experimenten, die jetzt dort laufen in den nächsten Jahren nachgewiesen werden. Wenn man nichts findet, dann wird es sehr, sehr eng für die Stringmodelle.

Und auch die Schleifenquantengravitation hat ihre Schwierigkeiten bei der experimentellen Bestätigung. Weil sie eine Körnigkeit des Raumes benutzt, müsste man diese bemerken, wenn sehr energiereiches Licht sehr lange zu uns unterwegs war. Wir müssten im Licht entfernteste Gammablitze so eine Art "Regenbogen" sehen, eine winzigste Wellenlängenabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Aber bisherige Messungen zeigen ... nichts. Keine Wellenlängenabhängigkeit zu sehen. Und auch hier gilt: Wenn das sich mit der nächsten Generation der Messgeräte nicht ändert, sind die Modelle eigentlich vom Tisch.

Also: Das ist alles hochspekulativ, hochkompliziert und keinesfalls gesichertes Wissen.

Ich verlinke Dir noch diesen wirklich tollen YouTube-Kanal

https://www.youtube.com/user/UrknallWeltallLeben/featured

in dem Harald Lesch und Josef Gaßner in anschaulichen Vorträgen versuchen, solche Vorstellungen allgemeinverständlich zu erklären.

Die bestens bestätigten Theorien wie Quantenmechanik, SRT und ART findest Du unter "Grundlagen", Strings und Schleifen unter dem "Rand der Erkenntnis". Und vielleicht ja auch noch ein paar andere Themen, die Dich interessieren... ;-)

Grüße

Quantengravitation: Um die Erklärung der Gravitation hat sich insbesondere die Relativitätstheorie bemüht, in dem sie die Gravitation als Verformung des Raumes gedeutet hat. Dann bedeutet nämlich das Umkreisen des masseärmeren Planeten um den massestärkeren nichts anderes, als dass der masseärmere in den verformenden Trichter des massereicheren geraten ist. Die Verformung des Raumes und damit die Gravitation wird durch die große Masse, die sich quasi in die Raumzeit hineindrückt, bewirkt.

Als dann etwas nach Formulierung der Relativitätstheorie die Quantenphysik (QP) ihren Triumphzug hielt, gelang es größtenteils, Quantenphysik und Relativitätstheorie so zu formulieren, dass sie sich nicht in die Wege kamen. Insbesondere übernahm für die kleinsten Teile die QP das Regime, das die Relativitätstheorie zu falschen Ergebnissen führt (z.B. hätte ein schwarzes Loch als Singularität eine Ausdehnung von Null, also eine unendliche Dichte, das wäre falsch). Es ergab sich jedoch ein großes Problem: Die Quantenphysik - Physik für die kleinsten Teile - hat keine Erklärung für die Gravitation. Quantenfeldtheorien, welche ein kleines Teilchen "Graviton" (Quantenphysik --> kleine Teilchen), zuständig für die Gravitation, belegen, sind nicht wirklich vorhanden.

Demnach zur Quantengravitation (QG): Das ist eine Lücke in der Physik. Große Dinge wie Gravitation erklärt die Relativitätstheorie (RT), kleine Dinge die QP. Damit ist die QG das Problem, dass das Große nicht durch die Theorie für das kleine erklärt werden kann, ggf. auch nur "noch nicht".

Dilatation von Raum und Zeit entstehen in der RT aus dem jeweiligen Beobachtungshorizont, ist also eine Frage des Bezugs.

Stringtheorien: Das sind (noch) äußerst theoretische Modelle, die über eine Neudefinition von Raum, Zeit und Inhalten eigentlich eher rechnerische und mit Modellen veranschauende Lösungen suchen. Hier muss man - wie bei vielen Deiner Stichpunkte - arg in die Mathematik einsteigen, um ein brauchbares Verständnis aufzubauen. Bildhafte Beschreibungen von Theorien, die mit starken Approximationen arbeiten, helfen allenfalls ansatzweise.

Hast Du Physik in der Schule? Wichtig ist, dass man zuerst die klassische Physik sehr gut verstanden hat, ansonsten tut man sich mit QP und RT sehr schwer.

Die Themen setzen jeweils Wissen von vorherigen voraus.

Man sollte mit den einfacheren anfangen, bzw. braucht man hier nicht die gesamte Thermodynamik. Die Gravitation ist ein Teil der Mechanik. Relativitätstheorie setzt Kenntnisse in beiden voraus: Thermodynamik und Gravitation. Wenn man die 3 Gebiete studiert, hat man genügend zu tun. Die anderen sind jeweils Erweiterungen der Basis, die vorhanden sein muß und in die man später vordringen kann.

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