Wie kann Einsteins Gravitationstheorie mit der Quantenmechanik vereinigt werden? Diese Aufgabe könnte uns tiefe Einblicke in Phänomene wie Schwarze Löcher und die Geburt des Universums geben. Jetzt präsentieren Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden und des MIT in den USA einen Artikel in Nature Communications mit neuen Ergebnissen, die Licht auf wichtige Herausforderungen beim Verständnis der Quantengravitation werfen.
Eine große Aufgabe der modernen theoretischen Physik liegt darin, eine „vereinigte Theorie“ zu finden, die alle Naturgesetze innerhalb eines einzigen Rahmenwerks beschreiben kann. Sie würde Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die das Universum im großen Maßstab beschreibt, mit der Quantenmechanik verbinden, die unsere Welt auf atomarer Ebene beschreibt. Eine solche Theorie der Quantengravitation würde sowohl eine makroskopische als auch eine mikroskopische Beschreibung der Natur enthalten.
„Wir sind bemüht, die Naturgesetze zu verstehen und die Sprache, in der sie geschrieben sind, ist die Mathematik. Wenn wir Antworten auf physikalische Fragen suchen, führt das oft auch zu neuen Entdeckungen in der Mathematik. Diese Interaktion ist besonders auffällig bei der Suche nach der Quantengravitation, wo die Durchführung von Experimenten extrem schwierig ist“, erklärte Daniel Persson, ein Professor am Department of Mathematical Sciences der Chalmers University of Technology.
Ein Beispiel für ein Phänomen, das diese Art der vereinigten Beschreibung erfordert, sind Schwarze Löcher. Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn ein ausreichend massereicher Stern unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert, so dass seine gesamte Masse in einem extrem kleinen Volumen konzentriert wird. Die quantenmechanische Beschreibung von Schwarzen Löchern steckt immer noch in ihren Kinderschuhen, aber bezieht spektakuläre höhere Mathematik mit ein.
Ein vereinfachtes Modell der Quantengravitation
Die Herausforderung liegt darin zu beschreiben, wie die Gravitation als ein „auftauchendes“ Phänomen entsteht. Genau wie alltägliche Phänomene wie etwa das Fließen einer Flüssigkeit aus den chaotischen Bewegungen einzelner Tröpfchen hervorgeht, wollen wir beschreiben, wie die Gravitation aus einem quantenmechanischen System auf mikroskopischer Ebene hervorgeht“, sagte Robert Berman, ein Professor am Department of Mathematical Sciences der Chalmers University of Technology.
In einem kürzlich im Journal Nature Communications veröffentlichten Artikel zeigten Persson und Berman zusammen mit Tristan Collins vom MIT in den USA, wie die Gravitation aus einem besonderen quantenmechanischen System hervorgeht. Dafür nutzten sie ein vereinfachtes Modell der Quantengravitation, das als das holografische Prinzip bezeichnet wird.
„Unter Verwendung von mathematischen Methoden, die ich bereits erforscht hatte, konnten wir präziser als jemals zuvor eine Erklärung dafür formulieren, wie die Gravitation aus dem holografischen Prinzip hervorgeht“, erklärte Berman.
Störungen aus Dunkler Energie
Der neue Artikel könnte auch neue Einblicke in die rätselhafte Dunkle Energie gewähren. In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie wird die Gravitation als ein geometrisches Phänomen beschrieben. Genau wie sich ein frisch bezogenes Bett unter dem Gewicht einer Person verzerrt, können massereiche Objekte die geometrische Form des Universums beugen. Aber laut Einsteins Theorie besitzt sogar der leere Raum – der „Vakuumzustand“ des Universums – eine geometrische Struktur.
Wenn man hineinzoomen und dieses Vakuum auf mikroskopischer Ebene betrachten könnte, würde man quantenmechanische Fluktuationen sehen, die als Dunkle Energie bekannt sind. Es ist diese rätselhafte Form von Energie, die aus größerer Entfernung betrachtet für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich ist.
Diese neue Arbeit könnte zu neuen Einblicken in die Art und Weise führen, wie und warum diese mikroskopischen quantenmechanischen Fluktuationen entstehen, und ebenso über die Beziehung zwischen Einsteins Gravitationstheorie und der Quantenmechanik – etwas, das sich den Wissenschaftlern seit Jahrzehnten entzogen hat.
„Diese Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, andere Aspekte des holografischen Prinzips zu prüfen, beispielsweise die mikroskopische Beschreibung von Schwarzen Löchern. Wir hoffen auch, dass wir diese neuen Verbindungen in Zukunft nutzen können, um neue Wege in der Mathematik einzuschlagen“, sagte Persson.
Abhandlung: „Emergent Sasaki-Einstein geometry and AdS/CFT“ von Berman, Collins und Persson, Nature Communications
(THK)
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