Quantengravitation

Die Quantengravitation ist eine Theorie, die sich zur Zeit in der Entwicklung befindet. Sie soll die beiden großen physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts, die Quantentheorie und die allgemeine Relativitätstheorie, vereinigen. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt eine der vier Elementarkräfte unseres Universums, die Gravitation. Die Quantentheorie beschreibt die anderen drei Elementarkräfte (elektromagnetische Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung).

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Die Vereinigung dieser beiden Theorien ist notwendig, da es Überschneidungen gibt. Im Allgemeinen beschreibt die allgemeine Relativitätstheorie den Aufbau des Universums im Großen und ist bei großen Massen und Beschleunigungen praktikabel. Die Quantentheorie hingegen beschreibt die Wechselwirkung zwischen kleinsten Teilchen und in begrenztem Raumgebiet. Obwohl die Gravitation die schwächste der Elementarkräfte ist, bestimmt sie unser Weltbild, denn sie ist die einzige der vier Elementarkräfte, die, nach heutigen Erkenntnissen, ausschließlich anziehend wirkt, da es nur eine Gravitationsladung (die Masse) gibt, und sich somit nicht im Großen aufheben kann. Die anderen Elementarkräfte hingegen sind nur für mikroskopische Prozesse von Bedeutung, dort aber nicht wegzudenken. Überschneidungen beider Theorien treten nun in einigen Extremfällen auf:

• Der Urknall stellt im Modell der allgemeinen Relativitätstheorie ein Problem dar, da hier die Krümmung der Raum-Zeit unendlich wird (sog. Singularität), womit die Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie außer Kraft gesetzt werden, und Dichte sowie Temperatur extreme Werte annehmen.
• Bei schwarzen Löchern, welche durch ihre enorme Masse einhergehend mit ihrer geringen Größe die Raumzeit ebenfalls bis zur Singularität krümmen.

Einige Physiker verbinden mit der noch zu formulierenden Vereinigung der Gravitation mit den anderen Elementarkräften die Hoffnung, dass in einer solchen Theorie keine formal unendlichen Terme mehr auftreten, und sich Extremfälle, in denen alle Elementarkräfte gleichermaßen berücksichtigt werden müssen, dann berechnen lassen. Zusätzlich gilt die Quantengravitation als möglicher Kandidat einer TOE (Theory Of Everything), da sich mit der Vereinheitlichung von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantentheorie vermutlich die gesamten physikalischen Eigenschaften des Universums aus einer einzigen Formel herleiten lassen, vom Hebelgesetz bis zur Zeitdilatation durch Fortbewegung nahe der Lichtgeschwindigkeit.

Bisher allerdings widersetzt sich die Gravitation beharrlich den Versuchen der Physiker, sie in das Quantenmodell einzufügen, welches darauf beruht, dass alle Kräfte in Elementarportionen, die Quanten, aufgeteilt werden. Die so zerlegten Kräfte lassen sich in der Quantentheorie und nur dort exakt berechnen und erklären. Die Gravitation allerdings lässt sich nicht so einfach zerlegen und so werden heute Theorien aufgestellt, die dies ermöglichen sollen. Erster Anwärter für die Quantengravitation ist die Stringtheorie, in der alle Elementarteilchen durch eindimensionale Strings repräsentiert werden. Allerdings lässt sich diese Theorie nach bisherigem Kenntnisstand nur in einem 10-, 11- oder 26-dimensionalen Universum formulieren. Eine Alternative ist die Loop-Quantengravitation, in welcher auch Raum und Zeit gequantelt sind.

Dies sind allerdings nur die meistvertretenen Theorien, daneben gibt es noch eine ganze Reihe anderer Erklärungsmodelle.

Siehe auch

• Quantengeometrie
• Große vereinheitlichte Theorie
• M-Theorie
• Weltformel

Literatur

• Lee Smolin: Quanten der Raumzeit, in: Spektrum der Wissenschaft (März 2004), S. 54 - 63. ISSN 0170-2971
• Reimar Lüst, Arnulf Schlüter, Klaus Katterbach - "Die Bahnen von Teilchen der kosmischen Strahlung im Erdmagnetfeld", Göttingen: Vandenhoeck & Ruprecht, 1955 (ISBN: B0000BUEC0)
• Rüdiger Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit, Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006 (2. Aufl.), ISBN 3440093603