Die Suche nach Raumzeitfluktuationen könnte Einstein und die Quantenphysik vereinen

Quantenphysik und Gravitation

In den letzten hundert Jahren hat die Quantenphysik gute Arbeit geleistet, um die Mikrowelt der Teilchen und Atome zu beschreiben. Sie umfasst drei der vier fundamentalen Kräfte des Universums – Elektromagnetismus sowie die starke und schwache Kernkraft. Trotzdem konnten Wissenschaftler die vierte Säule, die Gravitation, bisher nicht in die Theorie integrieren.

Einsteins Gravitationstheorie besagt, dass die von uns gefühlte und beobachtete Gravitation eine Art Nebenwirkung des Gewebes von Raum und Zeit sowie der darauf ruhenden Massen ist. Stellen Sie es sich wie eine Trampolinmatte mit einer Bowlingkugel darauf vor – das Gewicht der Kugel erzeugt eine Delle in der Matte. Im Universum ist das "Matte" der Raum und die "Bowlingkugel" ein massives Objekt wie ein Stern. Wenn Sie dann eine kleinere Kugel auf die Matte legen, wird sie in Richtung der größeren rollen, ähnlich wie wir die Gravitation erleben. Oder, wenn Sie eine Tennisball mit ausreichender Geschwindigkeit rollen, wird er die Mulde auf ähnliche Weise umkreisen, wie die Erde die Sonne umkreist.

Bestätigte Vorhersagen

Diese Gravitationstheorie hat im Grunde jeden Test überstanden, den Wissenschaftler in den letzten 100 Jahren gemacht haben. Neue Entdeckungen bestätigen laufend ihre Vorhersagen, wie zum Beispiel die 2015 Entdeckung von Gravitationswellen.

Das Dilemma besteht darin, dass diese Geschichte nicht gut zu den anderen drei fundamentalen Kräften passt. Jede davon kann recht ordentlich mithilfe der Quantenmechanik beschrieben werden, wobei die Wechselwirkungen von spezifischen Kraftteilchen vermittelt werden. Beispielsweise sind Photonen die Teilchen, die die elektromagnetische Kraft vermitteln. Wissenschaftler haben an Theorien für "Quantengravitation" herumgetüftelt und nach ihrem hypothetischen Trägerteilchen, dem "Graviton", gesucht, aber alle Experimente sind bisher erfolglos geblieben.

Eine neue Studie verfolgt einen entgegengesetzten Ansatz. Professor Jonathan Oppenheim vom University College London (UCL) schlägt vor, dass der Raumzeit letztendlich den Gesetzen der klassischen Physik folgt und dass stattdessen die Quantentheorie modifiziert werden muss. Er bezeichnet es als eine "postquanten Theorie der klassischen Gravitation".

Neuer Ansatz

Oppenheim koppelt im Wesentlichen klassische und Quantensysteme so miteinander, dass jedes System erhalten bleibt. So verhindert das klassische System beispielsweise immer noch die Übertragung von Informationen mit Überlichtgeschwindigkeit, während das Unsicherheitsprinzip im Quantensystem unverletzt bleibt. Einstein bevorzugte, dass alles deterministisch ist – das bedeutet, wenn Sie genügend Informationen über ein System haben, können Sie seinen aktuellen Zustand nehmen und jeden spezifischen Zustand in seiner Vergangenheit oder Zukunft berechnen. Oppenheims Hybridtheorie funktioniert nicht so – stattdessen können Sie nur die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Zustands in der Zukunft berechnen.

Die Theorie sagt einige faszinierende Dinge voraus, die bei vielen Physikern Bedenken hervorrufen könnten. Beispielsweise findet sie, dass Schwarze Löcher Quanteninformation zerstören können – etwas, das gemäß der Quantentheorie als unmöglich gilt und vielleicht ausreicht, um die gesamte Theorie a priori abzulehnen.

Möglichkeit zur experimentellen Überprüfung

Aber es gibt Möglichkeiten, diese postquanten Theorie der klassischen Gravitation zu testen. Wenn der Raum klassisch ist, sollte er zufällige Schwankungen erfahren, die wiederum die Masse von Objekten im Laufe der Zeit geringfügig verändern könnten. Ein Experiment, das das Team vorschlägt, ist die genaue Messung eines Objekts – wie zum Beispiel des Internationalen Kilogramm-Prototyps – könnte aufzeigen, ob der Raum klassisch oder quantenmechanisch ist.

„In der Quantengravitation und der klassischen Gravitation muss der Raumzeit um uns herum heftigen und zufälligen Schwankungen unterliegen, aber in einem Maßstab, den wir bisher nicht erkennen konnten“, sagte Zach Weller-Davies, Mitautor der Studie. „Aber wenn der Raum klassisch ist, müssen die Schwankungen größer sein als ein bestimmter Maßstab, und dieser Maßstab kann durch ein anderes Experiment bestimmt werden, bei dem wir testen, wie lange wir ein schweres Atom in die Überlagerung zweier verschiedener Standorte bringen können.“

Es ist wahrscheinlich, dass die neue Theorie nicht sofort, wenn überhaupt, weithin akzeptiert wird, aber sie bietet zumindest eine faszinierende neue Möglichkeit, über Gravitation und Raumzeit nachzudenken. Diese Experimente könnten sie schnell ausschließen und sie in den riesigen Friedhof exzentrischer wissenschaftlicher Ideen schicken, der die Geschichte durchzieht – oder sie könnte sich als ebenso fundamental erweisen wie Einsteins Theorien.



Bild 1: Ein hybrider Zustand mit klassischen und quantenmechanischen Teilen wird links gezeigt. Der klassische Teil ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (graues Maximum) im Phasenraum der Position und des Impulses (x, p). Der quantenmechanische Teil besteht aus einer Menge von Dichtematrizen (rote Pfeile), die den Quantenzustand an jedem Punkt im Phasenraum bestimmen. Es gibt eine stochastische Kopplung (Würfel), die definiert, wie die beiden Teile miteinander interagieren und sich im Laufe der Zeit entwickeln. Rechts ist die Entwicklung für den Fall einer Spin-Messung dargestellt. Der klassische Teil spaltet sich in zwei Maxima auf, die den beiden Ergebnissen der Spinmessung entsprechen, nämlich "oben" oder "unten".




Quellen:

• Oppenheim, J., Sparaciari, C., Šoda, B. et al. Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity. Nat Commun 14, 7910 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43348-2
• DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.041040
• https://physics.aps.org/articles/v16/203
• https://www.ucl.ac.uk/news/2023/dec/new-theory-seeks-unite-einsteins-gravity-quantum-mechanics