Existiert das „Graviton“ wirklich? Die Festkörperphysik findet einen „Ersatz“

Autor: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Sie alle haben schon von der Schwerkraft und der allgemeinen Relativitätstheorie gehört und kennen sich vielleicht auch mit der Quantenmechanik aus. Aber wissen Sie, was ein Graviton ist? Kürzlich behauptete ein Forscherteam der Universität Nanjing, das „fraktionierte Quanten-Hall-Effekt-Graviton“ entdeckt zu haben (die Forschungsergebnisse wurden am 28. März in der Zeitschrift Nature veröffentlicht). Also, um welche Art von Teilchen handelt es sich bei diesem Graviton? Was bedeutet fraktionierter Quanten-Hall-Effekt? Heute sprechen wir über „Gravitonen“ in kondensierter Materie.

Physiker träumten schon immer von der „Vereinheitlichung der Welt“ und hofften, dass die Gesetze, die die Funktionsweise aller Dinge im Universum bestimmen, „minimalistisch“ sein könnten, also so „einfach“, dass sie vielleicht durch nur eine Gleichung beschrieben werden könnten. Das Problem besteht jedoch darin, dass zur Beschreibung des riesigen Universums normalerweise die allgemeine Relativitätstheorie erforderlich ist, während zur Beschreibung mikroskopischer Teilchen die Quantenphysik erforderlich ist. Die bei beiden beteiligten Zeit-, Raum- und Energieskalen unterscheiden sich um N Größenordnungen. Dies bedeutet, dass die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik scheinbar „völlig unabhängig“ sind und es äußerst schwierig ist, sie zu vereinen. Im Jahr 1939 lieferte die Entstehung der Quantengravitationstheorie eine praktikable Idee für eine große vereinheitlichte Physik. Die Kernidee besteht in der Notwendigkeit der Existenz eines Teilchens namens „Graviton“.

Was ist ein „Graviton“? Vergleichen wir es einfach mit der elektromagnetischen Wechselwirkung. Wir wissen, dass die Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus auf der Existenz des elektromagnetischen Felds beruht und dass die Störung des elektromagnetischen Felds elektromagnetische Wellen aussendet. Licht ist eine gewöhnliche elektromagnetische Welle. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass man, um elektromagnetische Wechselwirkungen aus der Perspektive der Quantenphysik zu beschreiben, lediglich die Quanten finden muss, die Energie übertragen, und diese zählen muss. Das Quant dieser elektromagnetischen Welle ist das „Photon“. Photonen haben spezifische Frequenzen, die die Energieeinheiten darstellen, die sie besitzen. Um elektromagnetische Wechselwirkungen zu beschreiben, müssen wir nur zählen, was diese Energieeinheiten sind, wie viele es gibt und wohin sie gehen. Ist das nicht praktisch? Einstein sagte die Existenz von Gravitationswellen voraus, als er die allgemeine Relativitätstheorie aufstellte. Er glaubte, dass das Gravitationsfeld der geometrischen Struktur der Raumzeit entspricht. Wenn ein kleiner Stein in die Raumzeit fällt, verursacht er „Wellen“, die sich wie Wasserwellen ausbreiten. Dies sind Gravitationswellen. Die Theorie der Quantengravitation besagt, dass das Energiequant elektromagnetischer Wellen aus Photonen besteht, während das Energiequant von Gravitationswellen aus „Gravitonen“ besteht.

Die Gravitonentheorie scheint perfekt und ist auch die Grundlage anderer physikalischer Theorien. Beispielsweise nehmen Gravitonen eine zentrale Position in der erweiterten Version der Superstringtheorie, der Supermembrantheorie, ein. Dunkle Materie könnte beispielsweise aus massiven Gravitonen bestehen. Allerdings suchen Wissenschaftler schon seit vielen Jahren danach, konnten in Experimenten jedoch nie Anzeichen von „Gravitonen“ beobachten. Im Gegensatz dazu wurde die Entdeckung von Gravitationswellen Anfang 2016 bekannt gegeben und schon bald darauf im Jahr 2017 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Die Messung von Gravitonen ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Der Hauptgrund hierfür ist ihre extrem niedrige Energie. Im Vergleich zu den Energieskalen von Schwarzen Löchern, Neutronensternen und Supernova-Ereignissen im Universum ist die Energie von Gravitonen vernachlässigbar. Das Aufspüren von Gravitonen kann so sein, als würde man auf einem fernen Planeten mit den Füßen aufstampfen. Ihre Messung auf der Erde ist wesentlich schwieriger als die Messung von Gravitationswellen.

Neben der direkten Erkennung des Teilchens selbst haben Physiker jedoch noch eine weitere Möglichkeit: Sie müssen einen „Ersatz“ für das Teilchen finden. Der geniale Trick wurde von einer Gruppe von Festkörperphysikern erfunden. Die festen, flüssigen, glasartigen, gelartigen und anderen Zustände, aus denen Materie besteht, werden alle als „kondensierte Materie“ bezeichnet. Kondensierte Materie enthält eine große Anzahl mikroskopischer Teilchen, mindestens in der Größenordnung von 1023. Zwischen diesen Teilchen gibt es zahlreiche Wechselwirkungen, hauptsächlich elektrische und magnetische Wechselwirkungen. Obwohl wir die Bewegungsgleichungen für jedes einzelne Teilchen aufstellen können, gibt es keine Möglichkeit, Gleichungssysteme mit mehr als 1023 zu lösen. Aus diesem Grund haben die Physiker das Konzept des „Quasiteilchens“ entwickelt. Dabei wird eine große Gruppe von Teilchen zu einem einzigen Teilchen vereinfacht, das durch eine einfachere Gleichung beschrieben werden kann. Um die komplexen Wechselwirkungen in Festkörpern zu beschreiben, muss man, genau wie bei der Idee der Photonen, nur die Verteilung dieser Quasiteilchen zählen. Beispielsweise können die thermischen Schwingungen von Atomen Schall und Wärme übertragen, daher werden die Energiequanten „Phononen“ genannt, die Quanten der Schallwellen im Inneren des Materials. Das Energiequant, das die Schwingung des atomaren magnetischen Moments überträgt, wird „Magnon“ genannt, und es gibt auch „Weyl-Fermionen“, „Dirac-Fermionen“, „Majorana-Fermionen“ usw., die nach Wissenschaftlern benannt sind.

Diese Teilchen werden so genannt, weil sie im Wesentlichen die Weyl-Gleichungen, Dirac-Gleichungen und Majorana-Gleichungen der Elementarteilchentheorie erfüllen, zumindest formal besteht kein Unterschied.

An diesem Punkt haben Sie vielleicht schon erraten, dass die verschiedenen mikroskopischen Teilchen, über die wir normalerweise sprechen, ob bekannt oder unbekannt, die Quasiteilchen in kondensierter Materie alle in ihre „Ersatzteile“ umgewandelt werden können. Gravitonen sind keine Ausnahme. Vor etwa zehn Jahren schlug der Nobelpreisträger Haldane vor, dass es beim fraktionalen Quanten-Hall-Effekt gravitonenähnliche Quasiteilchenanregungen geben könnte, die auch als „fraktionale Quanten-Hall-Effekt-Gravitonen“ bekannt sind. Der sogenannte fraktionale Quanten-Hall-Effekt besteht darin, eine Gruppe von Elektronen in einem zweidimensionalen Raum einzuschließen, beispielsweise eingeklemmt zwischen zwei Halbleitern. Unter den Bedingungen eines starken Magnetfelds und extrem niedriger Temperaturen bildet die Coulomb-Wechselwirkung zwischen diesen kollektiven Elektronen eine Reihe neuer Quantenzustände. Die Ladung der entsprechenden Quasiteilchen basiert nicht mehr auf der Elementarladung als kleinster Einheit, sondern ist gebrochen, beispielsweise auf ein Drittel der Elementarladung. In diesem System gibt es viele Formen von Quasiteilchen und Haldane glaubt, dass eine davon dem in der Quantengravitationstheorie vorgeschlagenen „Graviton“ sehr ähnlich ist.

Um festzustellen, ob ein Quasiteilchen ein „Ersatz“ für ein anderes Teilchen ist, müssen wir an beiden eine „physikalische Untersuchung“ durchführen, ähnlich wie wir Größe, Gewicht, Stimmabdruck, Fingerabdrücke usw. überprüfen. Wir können Masse, Spin, Ladung, Chiralität usw. der beiden vergleichen. Das „fraktionierte Quanten-Hall-Effekt-Graviton“, an das Haldane glaubte, hat die gleichen Eigenschaften wie das von der Quantengravitation vorhergesagte Graviton, etwa Spin 2 und Chiralität. Spin und Chiralität beziehen sich hier auf das intrinsische magnetische Moment, das seiner Selbstrotation gleicht und eine bestimmte Richtung hat, beispielsweise nur der Rechtsspiralregel entspricht.

Das vom Team der Universität Nanjing entdeckte „Graviton“ wurde im Quantentopf von Galliumarsenid gefunden. Dieses Experiment ist äußerst anspruchsvoll. Einerseits muss die Temperatur sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegen, 10 mK (-273,14 °C), und das Magnetfeld muss sehr stark sein, 10 T. Andererseits erfordert der Messvorgang die Verwendung von zirkular polarisiertem sichtbarem Licht, was zwangsläufig zum Problem des Wärmeverlusts durch das transparente Fenster führt. Darüber hinaus ist die Energie von Quasiteilchen in Form von Gravitonen extrem niedrig (etwa 70 GHz), was fast die Grenze von Experimenten zur inelastischen Raman-Streuung darstellt. Doch diese Reihe von Herausforderungen war letztlich erfolgreich und verschiedene experimentelle Beweise stimmten mit dem von Haldane vorhergesagten „fraktionierten Quanten-Hall-Effekt-Graviton“ überein. Dies zeigt, dass in der Festkörperphysik ein großes Potenzial steckt und dass es noch weitere interessante Quasiteilchen zu entdecken gibt.

"Graviton"-Quasiteilchenanregungen in Festkörpern

Allerdings muss klargestellt werden, dass es sich bei diesem „Graviton“ strenggenommen um einen „geometrisch angeregten Zustand“ handelt und nicht um ein im eigentlichen Sinne frei existierendes Teilchen. Das heißt, obwohl sie ähnlich aussehen, werden Sie den Unterschied zwischen den beiden feststellen, wenn Sie den „ID-Kartencode“ überprüfen. Zum Beispiel: Ersteres befindet sich im zweidimensionalen Raum und ist nur ein Effekt auf der räumlichen Skala, während Letzteres zum dreidimensionalen Raum gehört und eine quantisierte Form von Zeit + Raum (dh „Raum-Zeit“) ist. Darüber hinaus tritt Ersteres nur oberhalb einer bestimmten Energieskala auf, während Letzteres zu Wechselwirkungen mit extrem großer Reichweite gehört, da Gravitationswellen die kosmische Entfernungsskala umfassen.

Natürlich hat auch dieser Ersatz für das „Graviton“ seinen eigenen Wert. Beispielsweise können wir ein rotierendes Schwarzes Loch mithilfe eines Quasiteilchens in Festkörpern simulieren, das als Polaron bezeichnet wird. Vielleicht können wir mit Hilfe von „fraktionierten Quanten-Hall-Effekt-Gravitonen“ auch jene Aspekte der Quantengravitationstheorie simulieren, die nicht experimentell getestet werden können?

Schließlich ist die Lebensweise einfach und die Welt vereint. Es gibt viele Grundprinzipien in der Physik und sie sind alle miteinander verbunden!

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autorenname: Luo Huiqian

Gutachter: Zhang Shuangnan, Forscher, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.