Neue Theorie: Entsteht Schwerkraft aus Quantenentropie?
Eine neue Studie verknüpft Einsteins Relativitätstheorie mit Quantenmechanik. Schwerkraft als Folge von Entropie? Das G-Feld könnte Dunkle Materie erklären.
Die Schlüsselidee von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie besteht darin, Gravitation nicht als Kraft zu betrachten, sondern als eine Eigenschaft der Geometrie von Raum und Zeit. Eine neue Studie bringt nun die Quantenmechanik, genauer gesagt die Entropie, ins Spiel.
Foto: PantherMedia / julvil11
Seit Jahrzehnten suchen Forschende nach einer Theorie, die sowohl die Quantenmechanik als auch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vereint. Diese beiden Grundpfeiler der modernen Physik beschreiben die Welt auf sehr unterschiedlichen Skalen: Die Quantenmechanik regelt das Verhalten von Teilchen im Mikrokosmos, während die Relativitätstheorie die Struktur von Raum und Zeit auf kosmischer Ebene beschreibt.
Die Herausforderung liegt in den grundlegend unterschiedlichen Prinzipien der beiden Theorien. Während die Quantenmechanik mit Wahrscheinlichkeiten arbeitet und Teilchen als Wellenfunktionen beschreibt, behandelt die Relativitätstheorie die Schwerkraft als eine Krümmung der Raumzeit. Viele bisherige Versuche, diese beiden Theorien zu vereinen, scheiterten an den tiefgreifenden mathematischen und konzeptionellen Unterschieden. Eine neue Studie von Ginestra Bianconi, Professorin für angewandte Mathematik an der Queen Mary University of London, präsentiert nun einen innovativen Ansatz, um diese beiden Theorien miteinander zu verbinden. Aber auch an der Universität Erlangen-Nürnberg wird zum Thema geforscht. Dazu mehr im zweiten Teil dieses Beitrags
Inhaltsverzeichnis
Schwerkraft als Folge von Entropie
Die Studie, veröffentlicht in Physical Review D, schlägt vor, dass die Schwerkraft nicht als fundamentale Kraft existiert, sondern vielmehr aus der Quantenentropie entsteht.
Diese Theorie basiert auf der Idee, dass die Raumzeit nicht als fester Hintergrund existiert, sondern als dynamische Quantengröße fungiert. Entropie ist dabei ein Maß für Unordnung und Informationsgehalt in einem System. Die quantenrelative Entropie beschreibt dabei den Unterschied zwischen zwei Quantenzuständen und könnte nach Bianconis Theorie als Grundlage für die Entstehung der Gravitation dienen.
„Die Schwerkraft wird aus einer entropischen Aktion abgeleitet, die Materiefelder mit der Raumzeitgeometrie koppelt“, erklärt Bianconi. Anders gesagt: Gravitation entsteht nicht durch eine fundamentale Kraft, sondern durch die Wechselwirkung zwischen Materie und der Geometrie des Raumes. Diese Interaktion wird durch Entropie angetrieben, die darüber entscheidet, wie sich Materie im Raum verteilt.
Neue mathematische Konzepte zur Beschreibung der Raumzeit
In ihrer Arbeit behandelt Bianconi die Metrik der Raumzeit, ein zentrales Element der Relativitätstheorie, als einen Quantenoperator. Dies bedeutet, dass die Raumzeit nicht als feste Größe betrachtet wird, sondern dass sie sich ähnlich wie Quantenobjekte verändert. Durch diesen Ansatz kann die Verbindung zwischen Quantensystemen und Gravitation neu definiert werden.
Ein zentraler Bestandteil dieser Theorie ist das sogenannte G-Feld. Dieses zusätzliche Feld dient als mathematisches Werkzeug, um sicherzustellen, dass die Gleichungen der Theorie mit den Prinzipien der Quantenmechanik in Einklang stehen. Es verbindet die Metrik der Raumzeit mit den Quantenzuständen der Materie und sorgt dafür, dass die modifizierten Gravitationsgleichungen nicht zu Widersprüchen mit bekannten physikalischen Gesetzen führen.
Die daraus resultierenden modifizierten Einstein-Gleichungen stimmen im Bereich niedriger Energien mit der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie überein. Das bedeutet, dass die Theorie unter normalen Bedingungen dieselben Ergebnisse liefert wie Einsteins Gleichungen, aber in extremen Situationen neue Vorhersagen trifft.
Auswirkungen auf die Kosmologie und Dunkle Materie
Ein besonders interessantes Ergebnis dieser Theorie betrifft die Dunkle Materie. Obwohl sie einen großen Teil der Masse des Universums ausmacht, konnte sie bisher nicht direkt nachgewiesen werden. Die neue Studie legt nahe, dass das eingeführte G-Feld als Kandidat für die Dunkle Materie dienen könnte.
Das G-Feld spielt in den modifizierten Gravitationsgleichungen eine entscheidende Rolle und könnte erklären, warum sich Galaxien schneller drehen, als es allein durch sichtbare Materie zu erwarten wäre. Falls das G-Feld wirklich mit Dunkler Materie in Verbindung steht, würde dies eine völlig neue Sicht auf die Natur der unsichtbaren Masse im Universum ermöglichen.
Bianconi kommentiert: „Diese Arbeit deutet darauf hin, dass die Quantengravitation einen entropischen Ursprung hat und dass das G-Feld eine Verbindung zur Dunklen Materie aufweisen könnte.“ Sollte sich dieser Ansatz bestätigen, würde dies unser Verständnis der Strukturen des Universums grundlegend verändern.
Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis der Theorie ist, dass sie die Existenz einer kleinen, positiven kosmologischen Konstante vorhersagt. Dies ist ein entscheidender Punkt, da genau eine solche Konstante die beschleunigte Expansion des Universums erklären könnte, die in astronomischen Beobachtungen festgestellt wurde. Im Gegensatz zu anderen Theorien, die mit sehr großen oder ungenauen Werten arbeiten, bietet Bianconis Modell eine natürliche Erklärung für dieses Phänomen.
Ein neuer Weg zur Quantengravitation
Die Suche nach einer einheitlichen Theorie der Quantengravitation ist eine der größten Herausforderungen der modernen Physik. Bianconis Arbeit zeigt, dass es möglich ist, Gravitation nicht als eigenständige Kraft zu betrachten, sondern als Folge der Quantenentropie. Dieser neue Ansatz könnte eine Brücke zwischen den bislang unvereinbaren Konzepten der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie schlagen.
Obwohl noch viele Fragen offen sind und experimentelle Bestätigungen fehlen, bietet dieser theoretische Rahmen eine spannende Perspektive für die Zukunft der Physik. Sollte es gelingen, experimentelle Hinweise auf die Existenz des G-Feldes zu finden, könnte dies eine Revolution in unserem Verständnis der Naturgesetze bedeuten.
Hier geht es zur Originalpublikation
Auch in Deutschland wird zum Thema geforscht
Nicht nur in England, auch in Deutschland wird zum Thema geforscht. Dr. Wolfgang Wieland von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) forscht an einer Lösung für die theoretische Lücke zwischen Quanten- und Relativitätstheorie. Sein Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Heisenberg-Programms gefördert. Eine aktuelle Publikation in der Fachzeitschrift Classical and Quantum Gravity legt nahe, dass ein neuer Ansatz Erfolg versprechen könnte.
Warum ist eine Quantengravitationstheorie wichtig?
Im Alltag haben die Unstimmigkeiten zwischen den beiden Theorien keine direkten Konsequenzen. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten großer Massen, während die Quantentheorie auf kleinste Teilchen fokussiert ist. In bestimmten Extrembereichen wie schwarzen Löchern oder dem Urknall stoßen die bisherigen Modelle jedoch an ihre Grenzen.
Ein schwarzes Loch beispielsweise komprimiert laut Relativitätstheorie alle Materie auf einen winzigen Punkt. Um das zu verstehen, müsste man wissen, wie die Gravitation auf kleinster Skala wirkt. Hier setzt die Forschung an: Ziel ist es, ein Modell zu entwickeln, das diese Mechanismen erklärt und beide Theorien zusammenführt.
Ursache und Wirkung im schwarzen Loch
Eine Theorie der Quantengravitation würde nicht nur die Gravitation erklären, sondern auch unser Verständnis von Ursache und Wirkung herausfordern. Wieland erklärt: „Die Zeit bestimmt den Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung – Ursachen liegen in der Vergangenheit, Wirkungen in der Zukunft.“ In der Quantenmechanik ist dieser Zusammenhang festgelegt. Doch laut allgemeiner Relativitätstheorie verformt Gravitation die Raumzeit. In einem schwarzen Loch könnte dieser Effekt so stark sein, dass Begriffe wie „vorher“ und „nachher“ nicht mehr eindeutig sind. Dies hätte erhebliche Konsequenzen für unser physikalisches Weltbild.
Ist die Raumzeit nicht kontinuierlich?
Ein zentraler Punkt in Wielands Ansatz ist die Frage, ob Raum und Zeit aus kleinsten Einheiten bestehen, anstatt kontinuierlich zu sein. Diese Idee lehnt sich an die Planck-Einheiten an, ein Konzept, das sich aus den Naturkonstanten der Quanten- und Gravitationsphysik ableitet.
Wenn die Raumzeit in diskrete Einheiten unterteilt ist, hätte dies weitreichende Folgen. So wäre es beispielsweise nicht möglich, eine Bewegung in beliebig kleinen Schritten auszuführen – sie würde in diskreten Sprünge unterteilt. Eine solche Struktur würde erklären, warum die Gravitation so schwer in das quantenmechanische Modell zu integrieren ist.
Eine Grenze für Leistung?
Ein weiterer zentraler Punkt in Wielands Forschung ist die sogenannte Planck-Leistung. Diese beschreibt die maximale Menge an Energie, die pro Zeiteinheit abgegeben werden kann. Nach aktueller Physik gibt es hier theoretisch keine Obergrenze. Dies führt jedoch dazu, dass mathematische Gleichungen unendlich große Werte annehmen und dadurch unlösbar werden.
Wieland zeigt in seiner aktuellen Arbeit, dass eine solche Grenze existieren könnte. Sie wäre vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit, die als oberste Grenze für die Bewegung von Teilchen gilt. Diese Planck-Leistung wäre zwar extrem hoch – rund 10^53 Watt –, aber dennoch endlich. „Wenn sich meine theoretischen Überlegungen bewahrheiten, wird es möglich sein, die Leistung von Gravitationswellen ebenfalls in kleinste Quanten zu zerlegen“, erklärt Wieland.
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