Verschränkte Raumzeit

Verschränkte Raumzeit

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Added by 19. Januar 2017


 

Theoretiker auf der Suche nach der quantenphysikalischen Erklärung der Gravitation

 

Das Standard-Modell der Teilchenphysiker konnte inzwischen mit Einsteins Relativitätstheorie zusammen geführt werden: in der Quantenfeldtheorie. Sie beschreibt, wie es kurz nach dem Urknall zu den Fluktuationen kommt, die wir heute im ganzen Weltall noch als Hintergrundstrahlung messen können und die Grundlage der kosmischen Strukturen ist. Jetzt wollen Stringtheoretiker die Quantengravitation entschlüsseln – und damit das Phänomen der Raumzeit erklären.

 

Sprechertext der Sendung:
 
Der Mensch nimmt seine Umgebung in einer bestimmten Größenordnung wahr. Sie liegt im Bereich von Millimetern bis zu Kilometern. Doch die menschliche Natur ist erfindungsreich. Sie entwickelt Technologien und Instrumente, mit denen sie die Welt in neuen Maßstäben erfassen und dann wissenschaftlich ergründen kann: Atome und ihre Teilchen, ja sogar Quantenphänomene.

Das heute gültige Standard-Modell der Teilchenphysik beschreibt drei, nämlich die im atomaren Bereich dominierenden Kräfte: die schwache und die elektromagnetische Kraft sowie die starken Wechselwirkungen direkt im Atomkern. Für den Physiker, der auf den Grund schauen möchte, bleibt darin noch vieles offen.

Talk mit Prof. Dr. Nathan Seiberg, Theoretischer Physiker an der Unviersität Princeton
Nathan Seiberg: Zuerst einmal gibt es qualitative Aspekte: welche Teilchen gibt es überhaupt, warum gerade diese Teilchen, und warum gerade diese elektrische Ladung und keine andere. Wir kennen drei Kräfte im Standard-Modell. Warum drei, warum nicht sieben oder nur eine? Was bestimmt, wie stark diese Kräfte sind? Was definiert die gesamte Struktur? Dann gibt es auch mehr quantitative Fragen: Für das Standard-Modell müssen wir bestimmte Größen messen – zum Beispiel die Masse des Elektrons, die Masse aller anderen Teilchen auch. Was definiert die Masse der Teilchen? Und warum diese Zahlen? Wenn man sich diese Werte anschaut, dann fällt auf, dass sie voneinander um mehrere Größenordnungen abweichen; einige sind hunderttausend Mal kleiner als andere. Es ist ganz klar, dass es dahinter eine Struktur geben muss, aber wir verstehen nicht, wie sie zustande kommt. Und dann gibt es noch eine weitere Art von unbeantworteten Fragen. Es gibt Neutrinos, im Standard-Modell haben Sie keine Masse.
Susanne Päch: aber sie haben Masse…
Nathan Seiberg: Jetzt haben sie Masse!
Susanne Päch: … ganz kleine Masse …
Nathan Seiberg: … kleine Masse, aber eben nicht Null. Wir müssen verstehen, warum das so ist. Es gibt verschiedene Ideen, das zu erklären. Aber ganz gleich, welche: Sie liegen außerhalb des Standard-Modells.

Außen vor bleibt im Standard-Modell bisher auch die vierte Kraft im Universum: die Gravitation. Physiker können nachweisen, dass sie für die Betrachtung atomarer Vorgänge aufgrund der minimalen Auswirkungen vernachlässigbar ist. Die Teilchenphysiker haben sie deshalb zuerst einmal ignoriert. Das hat sich längst geändert. Inzwischen versuchen Grundlagenforscher, die immer weiter auseinander klaffenden Dimensionen in der Vision der Quantengravitation zu vereinen.

Die Welt der Atome – und das Universum mit seinen zahllosen Sternen und gewaltigen Galaxien.

Es liegt auf der anderen Seite der vom Menschen wahrnehmbaren Größenordnungen. Auch hier haben Technologien und Experimente zu wichtigen theoretischen Erkenntnissen geführt. Sie zeigen Gravitation und Expansion des Universums als die zwei treibenden Kräfte im All. Der Wellencharakter der Gravitation ist inzwischen experimentell bewiesen. Was genau die Expansion verursacht, ist dagegen noch offen: Sie führte inzwischen zum Konzept der Dunklen Materie und der noch geheimnisvolleren Dunklen Energie.

Auslöser für die Spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein war das Ergebnis eines Experiments. Er entwickelte sie auf der Grundlage der Versuchsergebnisse von Michelson und Morley. Sie hatten festgestellt, dass die Geschwindigkeit des Sonnenlichts konstant ist, konnten dies aber nicht erklären.

Die Erkenntnisse führten Einstein bald zu Überlegungen, die schließlich in seine Allgemeine Relativitätstheorie mündeten. Darin postulierte er, dass Raum und Zeit keine absoluten Größen, sondern miteinander verwoben sind, dass dort, wo sich viel Masse zusammenballt, der geometrische Raum immer mehr verkrümmt – am stärksten also dort, wo Schwarze Löcher zu finden sind. Die Raumzeit ist ein exotisches Phänomen, das wir aber dennoch beobachten können. In der Region von Neutronensternen ist die Raumzeit extrem verkrümmt. Für uns beobachtbar im sogenannten Microlensing.

Was aber ist der gekrümmte Raum, was ist die Raumzeit?

Talk mit Prof. Dr. Nathan Seiberg, Theoretischer Physiker an der Unviersität Princeton
Nathan Seiberg: Ich weiß nicht, was sie ist, aber ich weiß zumindest, was sie nicht ist. Das ist immerhin ein erster Schritt. Es gibt gute Gründe, dass Raum und Zeit mit all dem, was wir dafür halten, nichts als eine Illusion ist, nämlich dass dies nicht die endgültige, fundamentale Größe ist. Aber sie ist näherungsweise richtig.
Susanne Päch: Ist es also die anthropozentrische Sicht der Physik?
Nathan Seiberg: Ich weigere mich, das so zu beschreiben. Denn Physik dreht sich um die Wirklichkeit. Und ich glaube, die Raumzeit ist wahr. Aber es gibt viele Gründe anzunehmen, dass Raum und Zeit keine fundamentalen Größen sind. Es ist eine näherungsweise Annahme, die in unserer Wirklichkeit extrem gut funktioniert. Unser ganzes Leben wird davon kontrolliert. Wir haben einen Termin an einem bestimmten Ort vereinbart – und wir haben uns gefunden. Das erscheint uns als real, es ist aber eben nicht ganz akkurat. Wenn man zu sehr kleinen Entfernungen und sehr kleinen Zeiteinheiten geht, dann ist diese Beschreibung von Raum und Zeit nicht mehr stimmig. Wir wissen nicht, womit wir sie ersetzen sollen. Aber wir können ziemlich sicher sein, dass diese Beschreibung nicht exakt ist. In diesem Sinn weiß ich zwar nicht, was Raumzeit ist, aber auch, was es nicht ist.

Schwarze Löcher sind nicht die einzigen spektakulären Masseansammlungen im Universum, in denen sich die Raumzeit extrem verändert. Es gibt noch ein ganz anderes Phänomen einer gewaltigen Ansammlung von Masse im Kosmos. Allerdings müssen wir dazu weit in die Vergangenheit zurück blicken – rund 14 Milliarden Jahre in die Zeit des Urknalls. Etwa 380.000 Jahre danach bildeten sich aus dem Urplasma erstmals Kerne, dann Atome, die aufgrund der massiven Kräfte nicht stabil waren, sondern strahlten. Diese „Hintergrundstrahlung“ hat sich inzwischen so weit abgekühlt, dass ihre Temperatur nur noch drei Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Dieses „Nachglühen“ können wir im Weltraum in Mikrowellen messen. Diese lange bekannte Strahlung erschien bei den ersten Beobachtungen noch völlig isotrop, also gleich verteilt. Inzwischen hat sich das Bild verändert. Wir sehen deutliche Strukturen, die zuletzt vom Satelliten Planck global erfasst worden sind.

Woher diese Strukturen kommen, erklärt uns inzwischen die sogenannte Quantenfeldtheorie.

Nathan Seiberg: Quantentheorie und Spezielle Relativitätstheorie sind inzwischen in perfekter Harmonie. Die Verbindung heißt Quantenfeldtheorie. Die Gravitation dort hinein zu bringen, ist eine große Herausforderung. Es ist klar, dass wir irgendetwas nicht richtig verstehen, dass es Dinge gibt, die keinen Sinn machen. Wenn wir Quantentheorie und Gravitation verbinden, dann fällt die Theorie komplett auseinander, wir rechnen und alles geht ins Unendliche.

Wo also setzt der Theoretiker an, wollte ich wissen, wenn er das Problem der Quantengravitation dennoch in den Griff bekommen will?

Talk mit Prof. Dr. Nathan Seiberg, Theoretischer Physiker an der Unviersität Princeton
Nathan Seiberg: Um die beiden Theorien zu vereinigen, müssen wir das ganze Universum auf eine winzige Größe schrumpfen. Das ist bei der Geburt des Universums der Fall, im Augenblick der Erschaffung unserer Welt.
Susanne Päch: Verstehe ich das richtig: Sie sagen, wir müssen den Anfang des Universums verstehen, dann verstehen wir alles? Ist das Ihr Punkt?
Nathan Seiberg: Das ist ein Teil davon. Wenn wir über den Beginn des Universums nachdenken – und es gibt ähnliche Phänomene wie Schwarze Löcher –, dann befassen wir uns mit Situationen, in denen beide Theorien gleich bedeutend sind: die Quantenmechanik und die Gravitation. Es gibt andere Phänomene, beispielsweise in einem Schwarzen Loch, wo auch beide Aspekte gleich wichtig sind. Aber es ist sehr schwierig, dafür Experimente zu schaffen. Wir können nicht in ein Schwarzes Loch fliegen, seine Eigenschaften erforschen und dann zurück in der Welt theoretisch berechnen. Oder gleichbedeutend damit: Wir haben bei weiten nicht genügend Energie, um solche Phänomene im Labor zu erzeugen. Da sind wir meilenweit davon entfernt.

Doch es zeigen sich inzwischen Lichtblicke in der Dunkelheit. Die Stringtheoretiker haben für solch neue Konzepte in der Physik das Tor zu einer ganz neuen Welt aufgestoßen.

Nathan Seiberg: Die Stringtheorie ist ein sehr anspruchsvolles Konzept. Es bringt Quantenmechanik und Gravitation zusammen, aber auch noch andere Dinge. Sie ist geradezu wundersam – wundersam deshalb, weil darin einige der Hindernisse nicht zu finden sind, die sonst sofort auftreten, wenn man Quantenmechanik und Gravitation zusammen bringen will. Sie zeigt aber auch Lösungsansätze bei anderen Problemen in der Physik auf, und das sogar auch in der Mathematik, aber sie ist heute noch “reine“ Theorie, denn es gibt momentan kein Experiment, mit dem wir sie prüfen können. Aber bei der Beschäftigung damit sind viele Ideen aufgekommen: beispielsweise erklärt die Stringtheorie Aspekte im Standard-Modell der Teilchenphysik oder in der Festkörperphysik, in der die Eigenschaften von Materialien erforscht werden. Viele von uns sind fasziniert von der tiefen intellektuellen Struktur, die wir Stringtheorie nennen. Ich glaube allerdings, dass wir erst ganz am Anfang sind, sie zu verstehen.

Stringtheoretiker haben eben dieses Problem: Ihre Forschungen zur Quantengravitation lassen sich experimentell nicht beweisen. Das nahm einer von ihnen, Juan Maldacena, auf der Strings 2015 zum Anlass für ein programmatisches Statement aus der Wissenschaftsgeschichte:

O-Ton Prof. Juan Maldacena, Stringtheoretiker an der Universität Princeton – Vortrag auf der Strings 2015
Wir haben schon oft gehört, dass die Allgemeine Relativitätstheorie zwei ziemlich erstaunliche Vorhersagen produziert hat. Die erste ist die der Schwarzen Löcher und die zweite die der Expansion des Weltalls. Sie waren so überraschend, dass selbst Einstein selbst nicht daran geglaubt hat. Ich liebe dieses Zitat, das Einstein LeMaitre gesagt haben soll: „Ihre Mathematik ist großartig, aber Ihre Physik ist sehr düster“ – als LeMaitre versuchte, Einstein seine Theorie des expandierenden Universums zu erklären. Ich liebe dieses Zitat, weil es genau das ist, was Stringtheoretiker heute von Physikern oft hören!

Auch angeregt durch die Erfolge der Quantenfeldtheorie bei der Erklärung der Hintergrundstrahlung, befasst sich Maldacena mit seinem Kollegen Leonard Susskind seit etlichen Jahren mit weiterführenden theoretischen Überlegungen:

O-Ton Prof. Dr. Juan Maldacena, Stringtheoretiker an der Universität Princeton – Vortrag auf der Strings 2015
Die Quantenfluktuationen sind gleichbedeutend mit kleinen Temperaturunterschieden in dieser Anfangsphase – und diese Temperaturunterschiede führten zu kleinen Fluktuationen im homogenen Universum. Diese Fluktuationen sehen wir auch heute noch. Und sie bilden die Grundlage der gesamten kosmischen Strukturen. Wir glauben oft, dass Quantenphänomene vor allem für die Geometrie in kleinsten Entfernungen Bedeutung haben, aber selbst im großen Maßstab des Weltraums haben sie eine Auswirkung. Wir sehen also, dass wir zu einem Verständnis der Quantenmechanik und der Geometrie kommen müssen.

Ein großer Stimulus für die beiden Stringtheoretiker ist die quantenphysikalische Verschränkung von Teilchen, derzeit ein Hype in der Quantenforschung. Theoretische Quantenphysiker sagen uns seit vielen Jahrzehnten, dass verschränkte Teilchen ihre Eigenschaften gegen die Gesetze der klassischen Physik instantan angleichen können. Was lange nur als rein theoretisches Konzept auf dem Tisch lag, kann inzwischen auch experimentell nachgewiesen werden. Physiker wie Rainer Blatt können mit solchen verschränkten Teilchen, die sie QuantenBits nennen, inzwischen gezielt manipulieren – auf dem Weg zum künftigen Quantencomputer.

Maldacena und Susskind haben mit den QuBits ganz anderes im Sinn. Sie sagen: Die Quantenverschränkung ist ein Phänomen der Raumzeit, und damit sind die sogenannten „Wurmlöcher“ der Gravitationstheorie wie die zweite Seite derselben Medaille. All das ist heute noch ziemlich abstrakt.

Wurmlöcher lassen sich theoretisch aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ableiten und sind masselose Gebilde, die aus reiner Geometrie von Raumzeit bestehen, ein Spezialfall der Schwarzen Löcher. Nicht die, die wir kennen, sagt Maldacena, da sich diese immer erst aus Materie unserer Welt bilden. Diese Schwarzen Löcher unserer Welt haben, wie uns die Theorie von Stephen Hawking vorrechnet, im Inneren eine Temperatur. Insofern können Schwarze Löcher unserer Welt, wie Maldacena sagt, „rot“ oder sogar „weiß“ sein, nämlich dann, wenn wir in der Lage wären, ein einzelnes Photon innerhalb des Ereignishorizontes eines Schwarzen Lochs messen zu können.

Ob es in unserem Universum jedoch auch gänzlich materielose Schwarze Löcher, also „Wurmlöcher“ überhaupt gibt, ist für uns nicht feststellbar. Sie sind ein rein mathematisches Konstrukt des theoretisch Möglichen. In ihnen müssten aus unserer Weltsicht extreme Verhältnisse herrschen. Die Raumzeit verkrümmt sich darin so stark, dass die Zeit zur Gleichzeitigkeit zusammen schmilzt und der Raum zu einem Punkt konvergiert.

Verschränkung trifft Wurmloch: Ein Ansatz von weiteren, die derzeit für eine künftige, eine neue Physik konzipiert werden: die Quantengravitation.

O-Ton Prof. Dr. Juan Maldacena, Stringtheoretiker an der Universität Princeton – Vortrag auf der Strings 2015
Es gibt einen Slogan, von dem ich selbst nicht genau weiß, was er bedeutet: Verschränkung ist der Klebstoff, der die Raumzeit zusammen hält.

Aber sicher ist: Die Erklärung der Raumzeit ist darin ein zentraler Faktor – und vielleicht sogar die letzte theoretische Stufe menschlicher Erkenntnis über unsere Welt.

Talk mit Prof. Nathan Seiberg, Theoretischer Physiker an der Unviersität Princeton
Nathan Seiberg: Wir dringen immer tiefer in die Struktur der Materie ein und verstehen sie immer besser. Wir werden deshalb zu einem Ende kommen. Am Ende steht die Theorie der kleinsten Dimension.
Susanne Päch: wie groß ist die?
Nathan Seiberg: Es ist die Größenordnung, in der die Quantengravitation herrscht. Dort, wo Raum und Zeit keinen Sinn mehr machen, wo wir etwas brauchen, das sie ersetzt. In diesem Bereich sind wir bei einer fundamentalen Theorie angekommen. Wenn wir diese verstehen, dann ist es das. Brauchen wir dafür hundert Jahre? Oder noch 200 Jahre? Oder 500? Ich habe keine Ahnung. Aber wenn ich mir den Fortschritt der Wissenschaft in den letzten 300 Jahren anschaue, als mit Newton die heutige Physik begann, haben wir bisher schon ziemlich viel erreicht. In weiteren dreihundert Jahren könnten wir am Ziel sein. Wir sehen: Der Fortschritt in der Wissenschaft kam durch die Erschließung immer kleinerer Dimensionen. Die Struktur, die wir dort gefunden haben, gibt uns die Erklärung dafür, was zuvor bekannt war. Atome erklärten uns die Moleküle, Protonen, Neutronen und Elektronen haben uns die Welt der Atome entschlüsselt, in noch kleineren Maßstäben haben wir fundamentalere Dinge gefunden. Aber wenn es eine Landschaft der kleinsten Dimension gibt, eine Landschaft, in der Entfernung und Zeit keinen Sinn mehr machen, dann können wir zu keiner tieferen Struktur mehr kommen.
Susanne Päch: Es gibt also eine qualitativ finale Grenze?
Nathan Seiberg: Eine finale Grenze. Es kann sehr lange dauern, bis wir dahin kommen. Und es mag am Ende auch unterschiedliche Beschreibungen der gleichen Fakten geben, die zu verstehen dann weitere hundert Jahre dauert. Und dann wird es viele weitere Jahrhunderte dauern, bis wir die Konsequenzen der Theorie vollständig ausgearbeitet haben. Doch, das scheint mir durchaus möglich zu sein.

 
 

Vorschaufoto: ESA

Erstsendung: Januar 2017

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