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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.

          6 Min.

          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.

          Diese Gravitationswelle bringt es auch noch nicht

          Selbst ein so extremer Naturprozess wie die Kollision zweier Schwarzer Löcher präsentiere sich uns als reines Schwerkraftphänomen, erklärte der Gravitationsphysiker Nicolas Yunes von der Montana State University, als er auf dem Giersch-Symposion über die kürzlich erstmals gelungene Beobachtung von Gravitationswellen solch eines Ereignisses berichtete: Wellen, die exakt zu Einsteins Theorie passten. „Gravitationswellen taugen nicht als Sonden für die Quantengravitation“, sagte Yunes. „Aber sie errichten hohe Hürden für jeden Versuch, Einsteins Theorie zu modifizieren, um unverstandene Phänomene wie die beschleunigte Ausdehnung des Alls zu erklären.“

          Wo jedoch sowohl Quanteneffekte als auch die Gravitation gleichermaßen zu berücksichtigen sind, scheint das Experimentieren und selbst bloßes Beobachten schwierig, im Moment des Urknalls etwa oder im Zentrum eines Schwarzen Loches. Bereits am Rand eines solchen Loches, dem sogenannten Ereignishorizont, der die Zone markiert, aus dem kein Licht entweichen kann, reichen die Quantengravitationseffekte nur noch für das bisschen Hawking-Strahlung. Deren Existenz immerhin scheint durch Steinhauers Experiment noch ein Stück plausibler, selbst wenn sein Aufbau nur ein Analogon ist, das einem Objekt, wie es Stephen Hawking untersuchte, nur in ganz bestimmter Hinsicht ähnelt.

          Das Informations-Paradox

          Dabei wirft die Realität der Hawking-Strahlung ein Problem auf, das die gesuchte Quantengravitationstheorie ebenfalls lösen muss: Wenn Schwarze Löcher strahlen, dann verlieren sie Energie in Form von Masse. Bei Schwarzen Löchern stellarer Herkunft dauert das zwar Äonen, aber am Ende verschwindet das Loch und damit offenbar die Information über alles, was je zuvor hineingefallen war. Die Möglichkeit, irgendetwas davon zu rekonstruieren, ist dann nicht nur praktisch perdu (wie im Falle eines Kuchenteigs die Kenntnis darüber, aus welchem der hineingerührten Eier ein bestimmtes Proteinmolekül stammt), sondern ganz grundsätzlich. Auch auf mikroskopischer Ebene ergäbe sich eine totale Unmöglichkeit, einen Prozess zurückzuverfolgen, und das ist unvereinbar mit einer fundamentalen mathematischen Eigenschaft des Quantenformalismus.

          Stimmt also mit der Quantenphysik etwas nicht? Es könnte genauso gut an Einsteins Gravitationstheorie liegen. Schließlich ergibt diese in anderen Situationen - etwa im Zentrum eines Schwarzen Lochs - für physikalische Größen wie Materiedichte oder Raumkrümmung unendliche Werte, was für Physiker in etwa so sinnvoll ist wie für Mathematiker eine Division durch null. Mindestens eine der beiden gefeierten Theorien muss also auf fundamentaler Ebene falsch sein. Die meisten Forscher, darunter die Stringtheoretiker, glauben, dass Einstein am Ende den Kürzeren ziehen wird. Eine Minderheit, zu der Roger Penrose zählt, sieht eher die Prinzipien der Quantentheorie als revisionsbedürftig an.

          Zu scharf für Quantenschaum

          Wie, wenn überhaupt, die empirische Naturwissenschaft in Laboren oder an Teleskopen am Ende dazu beitragen wird, diese Frage zu klären, war auf dem Frankfurter Symposion nur undeutlich abzusehen. Das liegt nicht etwa an einem Mangel an Ideen, sondern eher an der wachsenden Vielfalt experimenteller Zugänge zur Quantengravitation. Analogexperimente wie das von Jeff Steinhauer oder Beobachtungen von Gravitationswellen zählen dabei zu den jüngsten Neuzugängen in diesem Forschungsgebiet. Länger dabei ist etwa Giovanni Amelino-Camelia von der Universität La Sapienza in Rom, der seit fast zwei Jahrzehnten Effekten hinterherspürt, die mögliche Auswirkungen der Quantengravitation auf die Struktur des Vakuums enthüllen könnten. Denn in den meisten Ansätzen zur Quantengravitation ist der leere Raum kein Kontinuum, in dem sich jede noch so kleine Strecke immer weiter unterteilen lässt. Vielmehr muss der Raum - und vielleicht auch die Zeit - eine körnige oder schaumige Struktur haben, in der eine kleinste Strecke nicht unterschritten werden kann. Durch einen solchen Quantenschaum würde sich Licht nicht ganz so unbehelligt ausbreiten wie durch eine unendlich glatte Einsteinsche Raumzeit.

          Die Folgen wären winzig, könnten sich aber zu etwas Nachweisbarem aufsummieren, wenn man extrem weit gereistes Licht untersucht, etwa jenes von Quasaren in Milliarden Lichtjahren Entfernung. Amelino-Camelia berichtete in Frankfurt über den Stand der Suche nach Hinweisen auf eine pixelige Raumzeit, in der sich Licht verschiedener Wellenlängen verschieden schnell ausbreiten würde. Beobachtet wurde dergleichen bisher genauso wenig wie Unschärfen in den Teleskopbildern solcher Quasare - eine andere mögliche Konsequenz einer schaumigen Raumzeit. Eine 2015 erschienene Auswertung von Daten verschiedener Röntgen- und Gammastrahlenteleskope ergab, dass die Raumzeit noch über Strecken tausendmal kleiner als der Durchmesser des kleinsten Atomkerns einigermaßen glatt sein muss. Das liegt allerdings noch siebzehn Größenordnungen über der sogenannten Planck-Länge, bei der viele Theoretiker ein Aufschäumen der Raumzeit spätestens erwarten.

          Sehen wir da explodierende Schwarze Löcher?

          Eine andere Möglichkeit, die Bemühungen um eine Quantengravitationstheorie etwas empirischer zu gestalten, besteht darin, ungeklärte astrophysikalische Phänomene versuchsweise als Folge solcher Theorieansätze zu interpretieren. Dafür bieten sich im Moment die „Fast Radio Bursts“ an, rätselhafte, nur einige Tausendstelsekunden währende Ausbrüche von Radiostrahlung, von denen der erste vor zehn Jahren in Archivdaten aus dem Jahr 2001 gefunden wurde. Carlo Rovelli von der Universität Marseille, einer der prominentesten Schleifen-Theoretiker, überlegte in Frankfurt, ob hinter diesen Radioblitzen nicht explodierende Schwarze Löcher stehen könnten. Aus der Schleifen-Quantengravitation ließe sich nämlich folgern, dass Schwarze Löcher weit schneller zerfallen als durch das Abdampfen von Hawking-Strahlung.

          Aber womöglich kommt der erste handfeste empirische Befund für einen Quantencharakter der Gravitation gar nicht aus dem All, sondern aus einem irdischen Labor. Die experimentelle Quantenphysik ist in den vergangenen beiden Jahrzehnten enorm vorangeschritten. Das verdankt sie der modernen Lasertechnik und ein wenig der Aussicht auf praktische Anwendungsmöglichkeiten wie die Quantenkryptographie. Seit kurzem wird der Einsatz von Quanten-Hardware im All vorbereitet, woraus sich ein weiteres Forschungsfeld im Überschneidungsbereich von Quantenphysik und Schwerkraft ergibt, schließlich müssen bereits bei der Nutzung von GPS-Satelliten Effekte der Einsteinschen Gravitationstheorie berücksichtigt werden. „Wenn man Quantentechnik ins All bringt, sollte man verstehen, ob und wie sich Raumzeitkrümmungen auf Phänomene wie die quantenmechanische Verschränkung auswirken“, erklärte Ivette Fuentes in ihrem Frankfurter Vortrag. Die junge Mexikanerin forscht zurzeit in Wien, einem der weltweit führenden Zentren der experimentellen Quantenphysik.

          Ebenfalls in Wien sitzt die Gruppe um Markus Aspelmeyer, die jüngst einen Vorschlag zu einem neuen Experiment vorstellte. Dabei soll die Gravitationswirkung eines hin und her bewegten Goldkügelchens von nur achtzig Milligramm Gewicht vermessen werden: tausendmal weniger als die kleinste Masse, deren Schwerefeld bislang nachgewiesen werden konnte. Umgekehrt schafften es die Physiker in den vergangenen Jahren, immer massivere Objekte in Quantenzustände zu versetzen. Was anfangs nur bei Elementarteilchen und einzelnen Atomen funktionierte, klappt heute schon mit Metallscheibchen von etwa einem Nanogramm Gewicht. Gelingt dies irgendwann mit Objekten, die schwer genug sind, um zugleich ihr Gravitationsfeld zu messen, hätte man die Quantengravitation experimentell beim Wickel - ganz altmodisch im Physiklabor. Und ohne Schwarze Löcher.

          Literatur:

          Sabine Hossenfelder, „Die Quantengravitation auf dem Weg zur Wissenschaft“, Spektrum der Wissenschaft, August 2016; Roger Penrose, „Fashion, Faith and Fantasy in the New Physics of the Universe“, Princeton University Press 2016.

           

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