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Theorien-Kollision

Bei Abständen von 10 Milliardstel Milliardstel Milliardstel Milliardstel Metern wird es eng. Auch und besonders für das in unserer Welt doch noch friedliche Nebeneinander von Quantenphysik und Allgemeiner Relativität.

 
   
 
Albert Einstein ist der Vater der Allgemeinen Relativitätstheorie
 

Während die Quantentheorie fürs Kleine gilt, für die unvorstellbar winzige Welt der Elementarteilchen, richtet die Allgemeine Relativitätstheorie ihre Aufmerksamkeit auf den Kosmos, auf die Krümmung des Universums, mit deren Hilfe Albert Einstein die Schwerkraft beschrieben hat.

Beide Theorien leisten Großartiges und konnten in den Bereichen, für die Sie geschaffen wurden, experimentell sehr gut bestätigt werden. Doch schon jetzt ist klar: Bei Abständen, die Physiker "Planck-Länge" nennen, kommen sich beide Theorien in die Quere. Dann schäumt sich die Struktur des Universums so auf, dass die Allgemeine Relativitätstheorie an Gültigkeit verliert.

Die Schwerkraft bleibt außen vor
Die gesamte faszinierende Vielfalt des Weltalls führen Physiker auf das Vorhandensein von nur vier Kräften zurück: Der Elektromagnetismus wirkt dabei zwischen elektrischen Ladungen. Die starke Kraft leimt Atomkerne zusammen. Die schwache Kraft lässt einige dieser Kerne wieder zerfallen. Und über die Schwerkraft ziehen sich massive Objekte an, finden auf diese Weise zu Sternen, Sonnensystemen und Galaxien zusammen.

Für die drei erstgenannten Kräfte gibt es Quantentheorien, die man gemeinsam das "Standard-Modell der Teilchenphysik" nennt. Die Schwerkraft bleibt hier jedoch außen vor. Es ist den Theoretikern bisher noch nicht gelungen, eine Quantentheorie der Schwerkraft zu finden, so sehr sie sich auch angestrengt haben. Denn für Quanten und Schwerkraft gelten andere Drehbücher:
   
 
Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie krümmt Masse die Raumzeit
 

So funktionieren Kräfte in Quantentheorien über den Austausch von Kraftteilchen, während die Allgemeine Relativitätstheorie reine Geometrie ist. Demnach krümmen massive Objekte wie unsere Sonne den Raum um sich. Um sich das zu veranschaulichen, nehmen Sie ein frisch gemachtes Bett und eine Apfelsine. Setzen sie sich auf das Bett und legen Sie die Apfelsine daneben. Sie wird in die Kuhle rollen, die aufgrund ihrer Masse in das Bett gedrückt wurde. Mit etwas Geschick könnten Sie der Apfelsine sogar einen Schubs geben und sie würde um Sie kreisen. Ganz so wie es die Erde um die Sonne tut.

Vakuumchaos - Quantenschaum
Eine Besonderheit der Quantenwelt: Sie kann sich Energie aus dem Nichts borgen und daraus Teilchen schaffen. Denn wo Sie vielleicht Leere vermuten, herrscht wildes Treiben. Das gesamte Universum ist mit so genannten Quantenfluktuationen angefüllt.

Dabei wird für einen kurzen Moment die Energieerhaltung verletzt. Die so genannte Unschärferelation macht's möglich. Diese Gleichung legt auch die Tilgungsfrist für den Energiekredit fest: Je mehr Energie sich das Universum pumpt, umso schneller muss zurückgezahlt werden. Dies geschieht in der Regel nach Milliardstel Milliardstel Milliardstel Sekunden. Doch auch geringere Lebensdauern und damit beliebig hohe Energien / Massen sind möglich.

Und hier kommen sich Quantentheorie und Relativitätstheorie in die Quere: Wenn unser Universum - auch nur für winzige Augenblicke - mit beliebig schweren Teilchen angefüllt ist, müssen diese den Raum um sich krümmen. Dies geschieht aber mit einer solcher Wilde, dass sich der Raum zu einem chaotischen Quantenschaum aufbläht. Der Raum ist nicht mehr glatt, sondern ein wildes Gekrissel, für das die Gleichungen der Allgemeinen Relativität nicht mehr gelten.

Was ich nicht weiß ...
Nun ist auch ein frisch gemachtes Bett alles andere als glatt. Es besteht aus unzähligen Fasern, in ihm tummeln sich winzige Mikroorganismen, aber auch Quarks und Elektronen. Dennoch nehmen wir dieses Chaos nicht wahr. Denn wir können es nicht sehen.

Elektronen und Quarks könnten wir nur erkennen, wenn wir das Bett mit kleinen, energiereichen Teilchen - zum Beispiel anderen Elektronen - beschössen. Auf diese Art wird beispielsweise bei DESY die Quarkstruktur des Protons untersucht.

Wenn nun Elektronen tatsächlich punktförmig wären, könnten wir mit ihrer Hilfe immer tiefer in die Struktur der Raumzeit eintauchen und letztendlich den Quantenschaum ausmachen. Wenn Elektronen jedoch nicht punktfömig sind, sondern winzige, aber ausgedehnte Fäden, dann wäre irgendwann Schluss.

So sind wir mit unseren doch recht dicken Fingern ja auch nicht in der Lage, die Atomstruktur unseres Bettes zu ergründen. Und mit den ausgedehnten Fäden könnten wir nicht den aufgeschäumten Raum sehen.

Quantentheorie und Allgemeine Relativitätstheorie würden zwar im Zusammenspiel behaupten, dass es diesen Quantenschaum gibt. Wenn die Wirklichkeit aber nach den Gesetzen der Stringtheorie abläuft, gäbe es keine Möglichkeit, dem Quantenschaum auf die Schliche zu kommen. Daher gibt es ihn auch nicht. Und alles ist wieder im Lot.

 
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