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Quantengravitation : Die letzte Theorie

Wenn die Raumzeit Blasen schlägt: Hat die moderne Physik recht, dann sieht ein zweidimensionaler Schnitt durch den leeren Raum in zehn-hoch-34facher Vergrößerung irgendwie so aus. Bild: Illustration Nasa/CXC/FIT

Die Suche nach der Verbindung zwischen Schwerkraft und Teilchenphysik war lange eine Spielwiese für Theoretiker. Langsam wird eine empirische Wissenschaft daraus.

          Stephen Hawking hat keinen Nobelpreis. Und er kann eigentlich auch keinen bekommen, denn die Entdeckung, für die er ihn verdient hätte, war rein theoretischer Natur. Der Brite hatte über Schwarze Löcher nachgedacht, Himmelskörper, deren extrem starke Gravitationsfelder selbst Lichtstrahlen zurückhalten. Unter der Voraussetzung, dass erstens Albert Einsteins Theorie der Schwerkraft richtig ist und zweitens die Quantentheorie stimmt, mit der die moderne Physik Strahlung und Elementarteilchen beschreibt, hatte Hawking 1974 abgeleitet, dass Schwarze Löcher nicht völlig schwarz sein können: Sie strahlen eine nach ihm benannte Strahlung ab, deren Spektrum der Wärmestrahlung eines Ofens gleicht, wenn auch mit weit geringerer Temperatur. Im Fall eines Schwarzen Lochs, das durch den Kollaps eines sehr schweren Sterns entstanden ist, beträgt diese nur ein hunderttausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das ist unbeobachtbar wenig. Und ohne Beobachtung kein Nobelpreis.

          Hawking-Strahlung (oben) kann mittels virtueller Quantenpaare verstanden werden, die überall entstehen, um gleich darauf wieder zu verschwinden. Gerät ein Teilchen vorher hinter den Ereignishorizont eines Schwarzen Loches, wird dessen Partner abgestrahlt. Ein Labor-Analogon eines Ereignishorizontes (unten) wäre eine Front, wo sich die Geschwindigkeit (Pfeile) eines strömenden Mediums plötzlich von Unter- zu Überschallgeschwindigkeit ändert. Das Analogon zur Hawking-Strahlung sind dann Schallwellen, die nur vor der Front stromaufwärts (also nach „außen“) entkommen.
          Hawking-Strahlung (oben) kann mittels virtueller Quantenpaare verstanden werden, die überall entstehen, um gleich darauf wieder zu verschwinden. Gerät ein Teilchen vorher hinter den Ereignishorizont eines Schwarzen Loches, wird dessen Partner abgestrahlt. Ein Labor-Analogon eines Ereignishorizontes (unten) wäre eine Front, wo sich die Geschwindigkeit (Pfeile) eines strömenden Mediums plötzlich von Unter- zu Überschallgeschwindigkeit ändert. Das Analogon zur Hawking-Strahlung sind dann Schallwellen, die nur vor der Front stromaufwärts (also nach „außen“) entkommen. : Bild: F.A.Z.
          Ulf von Rauchhaupt

          verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Aber vielleicht lässt sich Stockholm ja von Jeff Steinhauer umstimmen. Mitte September stellte der Physiker vom Israel Institute of Technology in Haifa in einem Vortrag am Frankfurt Institute for Advanced Studies (Fias) die Resultate eines Experimentes vor, die er wenige Wochen zuvor in Nature Physics veröffentlicht hatte. Darin war es ihm gelungen, Hawking-Strahlung zu beobachten. Nicht bei einem echten Schwarzen Loch im All, aber bei einem analogen physikalischen System (siehe Grafik), das durch Gleichungen beschrieben wird, die genauso aussehen wie jene, die Hawking für seine Ableitung benutzte. Die Emissionen, die Steinhauer nachwies, sind zwar keine Teilchen oder elektromagnetischen Wellen, sondern Paare von Schallwellen-Quanten, sogenannte Phononen, in einem fließenden Medium. Ansonsten weisen sie aber die charakteristischen Eigenschaften von Hawking-Strahlung auf; insbesondere entspricht ihr Spektrum dem eines Wärmestrahlers bestimmter Temperatur.

          Steinhauers Vortrag war einer der Highlights des Giersch-Symposions, einer Fachtagung, die das Fias mit Hilfe der Stiftung des Frankfurter Unternehmerehepaars Giersch veranstaltet hatte und deren erster Teil den sogar für viele Physiker ungewohnt klingenden Titel „Experimentelle Suche nach Quantengravitation“ trug. Ungewohnt, weil die Bemühung, eine Union zwischen Quanten und Gravitation zu stiften, auch Jahrzehnte nach Hawkings Entdeckung ein rein theoretisches Geschäft blieb.

          „Mode, Glaube und Phantasterei“

          Ein gutes Dutzend grundverschiedener Ansätze zu einer solchen Quantengravitationstheorie gibt es heute, von denen die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation die bekanntesten sein dürften. Alle sind jedoch weit davon entfernt, experimentell überprüfbare Aussagen zu liefern. So weit, dass die Übergänge zur spekulativen Naturphilosophie fließend sind und Kritiker - wie jüngst wieder Stephen Hawkings einstiger Mitstreiter Roger Penrose in seinem neuesten Buch - ihnen einen Hang zu „Mode, Glaube und Phantasterei“ diagnostizieren.

          Dabei ist sowohl die Quanten- als auch Einsteins Gravitationstheorie experimentell besser überprüft als jede andere wissenschaftliche Theorie, die Menschen je ersonnen haben. Allerdings nur jede der beiden für sich. Wer etwa berechnen will, was bei der Kollision zweier Elementarteilchen passiert, kann die Schwerkraft zwischen beiden getrost vergessen - sie ist viel zu klein. Und wer die Bahn eines Gasatoms im Schwerefeld der Sonne vorhersagen möchte, dem kann dessen Quantennatur gerade egal sein - sie hat praktisch keinen Einfluss.

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