Ist die Raumzeit superflüssig?

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Verhielten sich Raum und Zeit wie ein suprafluides Medium, ließen sich Quantenmechanik und Relativitätstheorie einfacher in Einklang bringen.

Gerne würde man die Quantenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie in einer einzigen Theorie zusammenbringen. Dieses Unterfangen gelänge vielleicht einfacher, wenn man sich die Raumzeit als Flüssigkeit vorstellt. Wissenschaftler verglichen nun astrophysikalische Beobachtungen mit Vorhersagen, die sie unter Annahme einer flüssigen Raumzeit gemacht hatten. Das Konzept geht nur auf, so das Ergebnis, wenn die Raumzeit reibungsfrei dahinfließt – oder anders formuliert, ein Suprafluid ist.

(Bild: Diese Aufnahme zeigt den Krebsnebel in seiner ganzen Pracht. Er ist der Überrest einer Sternexplosion, die vor 1000 Jahren auf der Erde zu sehen war)

Diese Analogie könnte sehr nützlich sein. Denn oft werden Raum und Zeit als das fundamentale Gerüst des Universums aufgefasst. Doch nehmen wir einmal an, Raum und Zeit wären gar nicht elementar. Stattdessen setzen sie sich aus kleineren Bestandteilen zusammen, die in einer tieferen, von uns nicht erfassbaren Realitätsebene existieren. Wenn dem so wäre, würden sich die Eigenschaften der Raumzeit aus der den Bestand-teilen zu Grunde liegenden Physik “herausbilden” – genau wie die Eigenschaften von Wasser aus dem Zusammenspiel der Partikel resultieren, aus denen es besteht. “Wasser setzt sich aus einzelnen Molekülen zusammen, die gemäß den Gesetzen der Quanten-mechanik miteinander wechselwirken. Doch flüssiges Wasser wirkt homogen und fließt, erscheint transparent und bricht das Licht”, erklärt Ted Jacobson von der University of Maryland in College Park. “Das sind alles ’emergente’ Eigenschaften, die sich nicht bei einzelnen Molekülen beobachten lassen, auch wenn sie letztlich auf die Eigenschaften dieser Moleküle zurückgehen.”

Physiker verfolgen den Ansatz einer flüssigen Raumzeit seit den 1990er Jahren, um die beiden großen Theorien der Physik zu vereinigen: die auf großen Skalen agierende allgemeine Relativitätstheorie, die das Phänomen der Gravitation beschreibt, und die Quantenmechanik, die sich mit den winzigsten Bausteinen des Universums beschäftigt. In ihrem jeweiligen Rahmen scheinen diese Theorien perfekt zu arbeiten, doch sobald sich die Einsatzgebiete vermischen – etwa bei Schwarzen Löchern mit ihrer extrem hohen Masse, konzentriert auf ein extrem kleines Volumen –, kommt es zu Widersprüchen. Viele Physiker versuchten dieses Problem zu lösen, indem sie auch die Schwerkraft “quantisieren”.

Dazu zerlegen sie diese in kleinere Stücke, ebenso wie die Quantenmechanik viele Größen – etwa die Energie eines Teilchens – in diskrete Pakete aufteilt. “Es gibt viele Bemühungen, die Schwerkraft zu quantisieren: Die Stringtheorie und Schleifenquanten-gravitation sind alternative Ansätze, die beide von sich behaupten können, gut voran-gekommen zu sein”, sagt Stefano Liberati von der Internationalen Hochschule für fortgeschrittene Forschung (SISSA) in Triest, Italien. “Aber vielleicht muss man gar nicht die Schwerkraft quantisieren, sondern die fundamentalen Bausteine der Raumzeit.”

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Wie Wellen in einem Ozean

Zusammen mit seinem Kollegen Luca Maccione von der Ludwig-Maximilians-Universität in München untersuchte Liberati kürzlich, wie sich diese Idee auf Licht auswirken würde, das durch den Weltraum reist. Eine emergente Raumzeit, die sich wie eine Flüssigkeit verhält, ließe sich nicht ohne Weiteres von der Raumzeit einer anderen Theorie unter-scheiden. Doch unter extremen Bedingungen, etwa im Fall von sehr energiereichen Lichtteilchen, müssten sich Unterschiede nachweisen lassen, stellten Liberati und Maccione fest. Die beiden analysierten daraufhin Messungen von hochenergetischen Photonen aus dem Krebsnebel und konnten auf diese Weise bestimmte Varianten einer emergenten Raumzeit ausschließen. Sollte die Raumzeit tatsächlich flüssig sein, so der Schluss, dann muss es sich um eine Supraflüssigkeit handeln.

In diesem Bild bewegen sich Teilchen durch die Raumzeit wie Wellen in einem Ozean – und es würden die Gesetze der Strömungsmechanik (Physik der kondensierten Materie) gelten. In früheren Studien hatten Forscher bereits überlegt, ob Teilchen mit ver-schiedenen Energien in der Raumzeit einem Phänomen namens Dispersion unterliegen. Schließlich bewegen sich auch Wasserwellen unterschiedlicher Frequenz mit unter-schiedlichen Geschwindigkeiten fort. In der aktuellen Arbeit betrachteten Liberati und Maccione einen weiteren Effekt: Dissipation. Laufen Wellen durch ein Medium, verlieren sie mit der Zeit Energie. Diesem Dämpfungseffekt unterlägen auch Photonen, die sich durch die Raumzeit bewegen, fand das Team heraus. Legen hochenergetische Photonen im Weltraum sehr große Distanzen zurück, sollten sie demnach – trotz des winzigen Effekts – eine nachweisbare Menge an Energie einbüßen.

Ein ideales Testfeld bietet der Krebsnebel, ein rund 6500 Lichtjahre von der Erde entfernter Supernovaüberrest, der hochenergetische Röntgen- und Gammastrahlen emittiert. Wäre die Raumzeit nun flüssig, sollte die Energie dieses Lichts ein bisschen geringer ausfallen als erwartet, wenn es unsere Teleskope erreicht. Beobachtungen des Krebsnebels liefern jedoch keine Hinweise auf einen solchen Effekt. “Dieser Energie-verlust sollte sich deutlich im Spektrum bemerkbar machen, auch wenn es sich nur um einen sehr kleinen Effekt handelt – einfach weil das Licht so lange unterwegs ist”, erläutert Liberati. Der negative Befund erlaubt auch eine Aussage über andere Effekte, die auf eine flüssige Raumzeit zurückgehen könnten: Wenn es sie denn gibt, müssen sie äußerst gering ausfallen. “Das heißt nicht, dass diese Idee völlig verworfen werden muss”, sagt Liberati. Die Ergebnisse schränken die Eigenschaften einer flüssigen Raumzeit allerdings stark ein: Im Rennen sind nur noch Flüssigkeiten mit sehr niedrigen Viskositäten, in denen fast keine Dämpfungseffekte auftreten: Suprafluide.

Weit hergeholt?

Die Idee einer flüssigen Raumzeit ist nicht sehr populär und vielleicht sogar ein bisschen weit hergeholt – das geben selbst Fürsprecher zu. Aber könnte sie den Tatsachen ent-sprechen? “Ich habe absolut keine Ahnung”, sagt Renaud Parentani von der Université Paris-Sud. Der Physiker hatte erstmals vorgeschlagen, auch dissipative Effekte zu berücksichtigen. “Ich denke, offen gesagt, dass das niemand weiß. Alles, was wir tun können, ist, die verschiedenen Möglichkeiten zu modellieren.”

Wenn es sich bei der Raumzeit tatsächlich um eine Supraflüssigkeit handelt und sich Photonen unterschiedlicher Energie wirklich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen oder durch dissipative Effekte über die Zeit an Energie verlieren, widerspricht das der Relativitätstheorie. Denn die Lorentzinvarianz – ein zentrales Postulat der speziellen Relativitätstheorie – besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig vom Bezugssystem des Beobachters konstant ist. “Dass die Raumzeit aus etwas hervorgeht, das die Relativitätstheorie verletzt, ist ein ziemlicher radikaler Gedanke”, so Jacobson. Dennoch eröffnet er einen möglichen Weg, um einige der Probleme zu beheben, die auftreten, wenn man Relativitätstheorie und Quantenmechanik vereinigen will. “Durch die Verletzung der Relativitätstheorie ließen sich unendliche Größen beseitigen, die in der gegenwärtigen Theorie auftauchen. Und manche halten diese für physikalisch nicht korrekt.”

Sollte sich die Raumzeit tatsächlich als Supraflüssigkeit herausstellen, dürfte das auf jeden Fall große Wellen schlagen.

Quellen: NASA/Spektrum vom 11.07.2014

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2 comments on “Ist die Raumzeit superflüssig?

  1. DOGMEN, SOWEIT DAS AUGE REICHT…”

    > Aber vielleicht muss man gar nicht die Schwerkraft quantisieren, sondern die fundamentalen Bausteine der Raumzeit.

    Wenn ich das richtig verstehe, ergäbe es dadurch eine signifikante Abkürzung.

    > Wäre die Raumzeit nun flüssig, sollte die Energie dieses Lichts ein bisschen geringer ausfallen als erwartet, wenn es unsere Teleskope erreicht.
    >Dieser Energieverlust sollte sich deutlich im Spektrum bemerkbar machen, auch wenn es sich nur um einen sehr kleinen Effekt handelt – einfach weil das Licht so lange unterwegs ist.

    Wenn dies zutrifft und dieser Effekt ist nicht nur sehr klein, könnte es Probleme geben mit der Hubble-Konstante… :-/

    Achja, das mit den Konstanten ist eh so eine Sache. Sie sind ein urmenschliches (manipuliertes) Bedürfnis, auf das die Natur keine Rücksicht nimmt. Mit Recht, weil daraus *könnte* man lernen. Die Betonung liegt tatsächlich auf ‘könnte’…

    > Durch die Verletzung der Relativitätstheorie ließen sich unendliche Größen beseitigen, die in der gegenwärtigen Theorie auftauchen. Und manche halten diese für physikalisch nicht korrekt.

    Warum ist es denn so schwer eine etablierte Theorie kritisch in Frage zu stellen? Ich denke, genau das würde Einstein wenig stören, im Vergleich zu seinen “Anhängern”. Bitte auch mal darüber nachdenken. Nennen wir es doch ganz einfach “Dogmen in den Wissenschaften”. Es könnte sich als kosmologisch fruchtbar erweisen…

    > Sollte sich die Raumzeit tatsächlich als Supraflüssigkeit herausstellen, dürfte das auf jeden Fall große Wellen schlagen.

    Darauf freue ich mich schon jetzt.:-)

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