Was ist Quantengravitation?

Die Quantengravitation ist ein Oberbegriff für Theorien, die versuchen, die Gravitation mit den anderen fundamentalen Kräften der Physik zu vereinen (die bereits zusammengeschlossen sind). Es setzt im Allgemeinen eine theoretische Einheit voraus, ein Graviton, ein virtuelles Teilchen, das die Gravitationskraft vermittelt. Dies unterscheidet die Quantengravitation von bestimmten anderen einheitlichen Feldtheorien - obwohl einige Theorien, die normalerweise als Quantengravitation klassifiziert werden, nicht unbedingt eine Gravitation erfordern.

Was's ein Graviton?

Das zwischen 1970 und 1973 entwickelte Standardmodell der Quantenmechanik postuliert, dass die anderen drei fundamentalen Kräfte der Physik durch virtuelle Bosonen vermittelt werden. Photonen vermitteln die elektromagnetische Kraft, W- und Z-Bosonen vermitteln die schwache Kernkraft und Gluonen (wie Quarks) vermitteln die starke Kernkraft.

Das Graviton würde daher die Gravitationskraft vermitteln. Wenn gefunden, wird erwartet, dass das Graviton masselos ist (weil es auf große Entfernungen sofort wirkt) und Spin 2 hat (weil die Schwerkraft ein Tensorfeld zweiten Ranges ist)..

Ist die Quantengravitation bewiesen??

Das Hauptproblem beim experimentellen Testen einer beliebigen Theorie der Quantengravitation besteht darin, dass die zur Beobachtung der Vermutungen erforderlichen Energieniveaus in aktuellen Laborexperimenten nicht erreichbar sind.

Auch theoretisch stößt die Quantengravitation auf gravierende Probleme. Die Gravitation wird derzeit durch die Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie erklärt, die auf der makroskopischen Skala ganz andere Annahmen über das Universum macht als die Quantenmechanik auf der mikroskopischen Skala.

Versuche, sie zu kombinieren, stoßen im Allgemeinen auf das "Renormalisierungsproblem", bei dem sich die Summe aller Kräfte nicht aufhebt und einen unendlichen Wert ergibt. In der Quantenelektrodynamik geschah dies gelegentlich, aber man konnte die Mathematik neu normieren, um diese Probleme zu beseitigen. Eine solche Renormierung funktioniert bei einer Quanteninterpretation der Schwerkraft nicht.

Die Annahme der Quantengravitation ist im Allgemeinen, dass sich eine solche Theorie als sowohl einfach als auch elegant erweisen wird. Daher versuchen viele Physiker, rückwärts zu arbeiten, indem sie eine Theorie vorhersagen, die ihrer Meinung nach die in der gegenwärtigen Physik beobachteten Symmetrien erklären könnte, und dann sehen, ob diese Theorien funktionieren.

Einige vereinheitlichte Feldtheorien, die als Quantengravitationstheorien klassifiziert werden, umfassen:

• Stringtheorie / Superstringtheorie / M-Theorie
• Supergravitation
• Schleifenquantengravitation
• Twistor-Theorie
• Nichtkommutative Geometrie
• Euklidische Quantengravitation
• Wheeler-DeWitt-Gleichung

Natürlich ist es durchaus möglich, dass die Quantengravitation weder einfach noch elegant ist. In diesem Fall werden diese Versuche mit falschen Annahmen angegangen und wären wahrscheinlich ungenau. Nur Zeit und Experimente werden es mit Sicherheit zeigen.

Wie einige der obigen Theorien vorhersagen, ist es auch möglich, dass ein Verständnis der Quantengravitation nicht nur die Theorien festigt, sondern ein grundlegend neues Verständnis von Raum und Zeit einführt.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..