Ist die Raumzeit verpixelt?

Ist die Raumzeit verpixelt? Es ist, als würden wir ein digitales Bild betrachten, wenn es vielfach vergrößert wird. Dann können wir die Pixel einzeln erkennen. Wenn die Raumzeit auf extrem kleinen Skalen quantisiert wird – ein schäumender Ozean aus Teilchen, aus dem die Schwerkraft und andere Teilchen hervorgehen –, können wir möglicherweise Wellen auf der Oberfläche erkennen – beobachtbare Signaturen der Quantengravitation. Dies ist eine Lösung, die derzeit von theoretischen Physikern zur Lösung des Problems der Quantengravitation vorgeschlagen wird und die bereit ist, experimentell getestet zu werden.

Von Whiteny Clavin

Übersetzung | Zhang Yi

Fortschritte bei der Erforschung der Eigenschaften der Quantengravitation

Aus der Ferne betrachtet wirken die Sanddünen glatt und faltenfrei, wie über die Wüste ausgebreitete Seidentücher. Doch bei genauerem Hinsehen offenbaren sich weitere Details. Wenn Sie sich einer Düne nähern, bemerken Sie möglicherweise Wellen im Sand. Sobald Sie die Oberfläche berühren, werden Sie einzelne Sandkörner finden. Dasselbe gilt für digitale Bilder: Vergrößern Sie ein scheinbar perfektes Porträt ausreichend und Sie werden die unzähligen verschiedenen Pixel entdecken, aus denen das Bild besteht.

Das Universum selbst könnte genauso verpixelt sein. Rana Adhikari, Professorin für Physik am California Institute of Technology, und andere glauben, dass der Raum, in dem wir leben, möglicherweise nicht vollkommen glatt ist, sondern aus extrem kleinen, diskreten Einheiten besteht. „Das Raumzeitpixel ist so klein, dass ein Atom, wenn man es auf die Größe eines Sandkorns vergrößern würde, so groß wie eine Galaxie wäre“, sagte er.

Adhikari und Physiker auf der ganzen Welt suchen nach dieser Pixelbildung, weil sie eine Vorhersage eines der tiefsten physikalischen Rätsel unserer Zeit darstellt: der Quantengravitation. Die Quantengravitation bezeichnet eine Reihe von Theorien, darunter auch die Stringtheorie, deren Ziel es ist, die makroskopische Welt der Gravitation, die von der allgemeinen Relativitätstheorie bestimmt wird, mit der mikroskopischen Welt der Quantenphysik zu vereinen. Der Kern des Rätsels besteht darin, ob die Schwerkraft und die von ihr bewohnte Raumzeit „quantisiert“ oder in ihre einzelnen Bestandteile zerlegt werden können, ein Kennzeichen der Quantenwelt.

„Manchmal herrscht in der Wissenschaftskommunikation ein Missverständnis, das suggeriert, Quantenmechanik und Schwerkraft seien unvereinbar“, sagte Clifford Cheung, Professor für theoretische Physik am Caltech. „Aber wir wissen aus Experimenten, dass wir auf diesem Planeten Quantenmechanik mit Schwerkraft anwenden können, und es ist klar, dass sie konsistent sind. Das Problem liegt in subtilen Problemen mit Schwarzen Löchern oder dem Versuch, sie auf sehr kurzen Distanzen zu vereinheitlichen.“

„Die Schwerkraft ist ein Hologramm.“

– Monica Jinwoo Kang

Aufgrund der extrem kleinen Skalen glauben einige Physiker, dass es in absehbarer Zukunft unmöglich sein wird, Beweise für die Quantengravitation zu finden. Obwohl Forscher verschiedene Ideen vorgeschlagen haben, wie man Hinweise auf seine Existenz finden könnte – rund um schwarze Löcher; im frühen Universum; Selbst mit LIGO, dem von der National Science Foundation finanzierten Observatorium zur Erkennung von Gravitationswellen, hat bisher niemand Spuren der Quantengravitation in der Natur gefunden.

Kathryn Zurek, Professorin für theoretische Physik, hofft, dies zu ändern. Sie hat vor Kurzem eine neue, von der Heising-Simons-Stiftung finanzierte Zusammenarbeit mehrerer Institutionen ins Leben gerufen, um zu untersuchen, wie man Anzeichen der Quantengravitation beobachten kann. Das Projekt mit dem Namen „Quantum Gravity and Its Observational Signatures“ (QuRIOS) bringt Stringtheoretiker und Teilchentheoretiker zusammen, die mit den formalen Werkzeugen der Quantengravitation vertraut sind, aber wenig Erfahrung mit der Gestaltung von Experimenten haben, sowie Modellbauer, die gut in Experimenten sind, aber nicht mit der Quantengravitation arbeiten.

„Die Vorstellung, dass wir beobachtbare Signaturen der Quantengravitation finden könnten, ist ziemlich weit vom Mainstream entfernt“, sagte sie. „Wenn wir jedoch nicht anfangen, nach Möglichkeiten zu suchen, die Quantengravitation mit unserer natürlichen Welt zu verbinden, werden wir uns in der Wüste verlieren. Das Denken in Beobachtungssignaturen kann uns Theoretiker verbinden und uns helfen, bei neuen Problemen Fortschritte zu erzielen.“

Rana Adhikari (links) und Kathryn Zurick (rechts). Bildnachweis: Lance Hayashida/Caltech

Im Rahmen der Zusammenarbeit wird Zulik mit dem Experimentalphysiker Adhikari zusammenarbeiten, um ein neues Experiment mit Tischgeräten zu entwerfen. Das Experiment mit dem Namen Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time (GQuEST) wird nicht in der Lage sein, einzelne Raum-Zeit-Pixel selbst zu erkennen, sondern die Verbindungen zwischen diesen Pixeln, die beobachtbare Merkmale erzeugen. Adhikari vergleicht die Suche mit dem Einstellen eines altmodischen Fernsehers.

„Als ich aufwuchs, versuchten wir, den Kanal einzustellen, wenn wir NBC nicht empfangen konnten. Aber meistens sahen wir nur eine Schneeflocke aus Pixeln. Wir wissen, dass ein Teil dieser Schneeflocke aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung oder der Geburt des Universums stammt. Wenn man jedoch richtig einschaltet, kann man Schneeflocken von Sonnenstürmen und anderen Signalen sehen. Genau das versuchen wir: Wir hören genau auf diese Schneeflocken oder Fluktuationen in der Raumzeit. Wir werden sehen, ob die Fluktuationen in den Schneeflocken mit unseren Modellen der Quantengravitation übereinstimmen. Wir können uns irren, aber wir müssen es versuchen.“

Ein neuer Bauplan für das Universum

Die Lösung des Rätsels der Quantengravitation wäre eine der größten Errungenschaften der Physik und stünde in einer Reihe mit den beiden Theorien, die die Forscher vereinen möchten. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie veränderte unsere Sicht auf das Universum und zeigte, dass man sich Raum und Zeit als ein Kontinuum – die Raumzeit – vorstellen kann, das sich als Reaktion auf Materie krümmt. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Schwerkraft nichts anderes als die Krümmung der Raumzeit.

Die zweite Theorie – die Quantenmechanik – beschreibt neben der Schwerkraft die drei anderen bekannten Kräfte im Universum: den Elektromagnetismus, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft. Ein entscheidendes Merkmal der Quantenmechanik ist, dass diese Kräfte in diskrete Wellenpakete oder Teilchen quantisiert werden können. Beispielsweise entstehen durch die Quantisierung der elektromagnetischen Kraft sogenannte Photonen, aus denen das Licht besteht. Photonen arbeiten im Hintergrund auf mikroskopischer Ebene, um die elektromagnetische Kraft zu übertragen. Obwohl das elektromagnetische Feld in den uns gewohnten großen Maßstäben kontinuierlich erscheint, wird es beim Hineinzoomen aufgrund der Photonen „holprig“. Die zentrale Frage der Quantengravitation lautet also: Wird die Raumzeit auch auf kleinsten Skalen zu einem schaumigen Meer aus Teilchen oder bleibt sie glatt wie ein See? Physiker gehen im Allgemeinen davon aus, dass die Schwerkraft auch auf kleinsten Skalen holprig sein sollte. Bei diesen Unebenheiten handelt es sich um hypothetische Teilchen, sogenannte Gravitonen. Doch wenn Physiker mit mathematischen Mitteln beschreiben, wie die Schwerkraft aus Gravitonen auf extrem kleinen Skalen entsteht, bricht das System zusammen.

„Es wurde mathematisch unmöglich und produzierte lächerliche Ergebnisse wie Unendlich statt der erwarteten endlichen Zahlen. Das bedeutete, dass etwas nicht stimmte“, sagte Hirosi Ooguri, Fred Kavli Professor für Theoretische Physik und Mathematik und Direktor des Walter Burke Institute for Theoretical Physics. „Man hat nicht ganz verstanden, wie schwierig es sein würde, einen konsistenten theoretischen Rahmen zu entwickeln, der die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereint. Es schien unmöglich, aber wir hatten die Stringtheorie.“

Hiroshi Ooguri | Bildquelle: Brandon Hook/Caltech

Untere Saiten

Viele Physiker würden zustimmen, dass die Stringtheorie die bislang vollständigste und wahrscheinlichste Theorie der Quantengravitation ist. Es beschreibt ein 10-dimensionales Universum, in dem sechs Dimensionen zusammengerollt sind und die restlichen vier Raum und Zeit bilden. Wie der Name schon sagt, geht die Theorie davon aus, dass auf der grundlegendsten Ebene alle Materie im Universum aus winzigen Fäden besteht. Wie bei einer Geige schwingen die Saiten mit unterschiedlichen Frequenzen oder Tönen, wobei jeder Ton einem einzigartigen Teilchen entspricht, beispielsweise einem Elektron oder Photon. Einer der Töne entspricht dem Graviton.

John Schwarz, emeritierter Harold Brown-Professor für theoretische Physik, war einer der Ersten, der das Potenzial der Stringtheorie erkannte, die Kluft zwischen der Quantenwelt und der Schwerkraft zu überbrücken. In den 1970er Jahren nutzten er und sein Kollege Joël Scherk die mathematischen Werkzeuge der Stringtheorie, um die starke Kraft zu beschreiben. Doch ihnen war klar, dass sich der theoretische Nachteil in einen Vorteil verwandeln könnte, wenn sie die Richtung änderten.

„Anstatt darauf zu bestehen, eine Theorie der starken Kraft zu entwickeln, haben wir diese schöne Theorie genommen und uns gefragt, was daran gut ist“, sagte Schwartz in einem Interview im Jahr 2018. Es stellte sich heraus, dass es sehr gut für die Schwerkraft geeignet ist. Keiner von uns hatte sich mit der Schwerkraft beschäftigt. Es war nicht unser besonderes Interesse, aber wir stellten fest, dass diese Theorie die starke Kraft nur unzureichend beschrieb und zur Schwerkraft führte. Als mir das klar wurde, wusste ich, was ich für den Rest meiner Karriere tun würde.

Es stellt sich heraus, dass die Schwerkraft im Vergleich zu den anderen Kräften ein Sonderling ist. „Die Schwerkraft ist die schwächste Kraft, die wir kennen“, erklärt Oguri. „Wenn ich im vierten Stock des Lauritsen-Gebäudes stehe, wird mich die Schwerkraft nicht durch den Boden ziehen, weil sich im Beton Elektronen und Atomkerne befinden, die mich oben halten. Das elektrische Feld überwindet also die Schwerkraft.“

Während jedoch die starke Kraft über immer kürzere Distanzen schwächer wird, wird die Schwerkraft immer stärker. „Die Saiten helfen, dieses energiereiche Verhalten abzumildern“, sagte Oguri. „Die Energie wird innerhalb einer Saite verteilt.“

Ein Tischtest der Quantengravitation

Die Herausforderung der Stringtheorie besteht nicht nur darin, sie mit unserer alltäglichen Niedrigenergiewelt in Einklang zu bringen, sondern auch darin, sie zu testen. Um zu beobachten, was auf extrem kleinen Raum- und Zeitskalen geschieht – die derzeit theoretisch als granular gelten – müssen Experimente auf Entfernungen von der sogenannten Planck-Länge heruntergeführt werden, die in der Größenordnung von 10 bis 35 Metern liegt. Um solche extremen Maßstäbe zu erreichen, müssen Wissenschaftler einen ebenso extremen Detektor bauen. „Ein Ansatz wäre, etwas von der Größe unseres Sonnensystems zu bauen und nach Signaturen der Quantengravitation zu suchen“, sagte Adhikari. „Aber das ist unerschwinglich teuer und würde Hunderte von Jahren dauern!“ Stattdessen könnten Forscher laut Zulik viel kleinere Experimente nutzen, um verschiedene Aspekte der Quantengravitation zu untersuchen. „Für die von uns vorgeschlagenen Niedrigenergieexperimente braucht man nicht die gesamte Maschinerie der Stringtheorie“, sagte sie. „Theoretische Entwicklungen im Zusammenhang mit der Stringtheorie geben uns einige der Werkzeuge und das quantitative Verständnis, das voraussichtlich auch für die Quantengravitation gelten wird.“

Der von Zulik, Adhikari und ihren Kollegen vorgeschlagene experimentelle Ansatz konzentriert sich auf die Effekte der Quantengravitation, die in überschaubareren Maßstäben wie 10-18 Metern beobachtet werden können. Das ist zwar noch sehr klein, aber mit äußerst präzisen Laborinstrumenten möglicherweise machbar.

„Das Raumzeitpixel ist so klein, dass ein Atom, wenn man es auf die Größe eines Sandkorns vergrößern würde, so groß wie eine Galaxie wäre.“

– Rana Adhikari

Diese Tischexperimente sind wie Mini-LIGOs: L-förmige Interferometer, die zwei Laserstrahlen in senkrechter Richtung abfeuern. Die beiden Laserstrahlen werden vom Spiegel reflektiert und treffen sich an ihrem Ausgangspunkt. Im Fall von LIGO dehnen und komprimieren Gravitationswellen den Raum und beeinflussen so den Zeitpunkt der Begegnung der Laser. Experimente zur Quantengravitation suchen nach einer anderen Art von Raumzeitfluktuationen, die aus Gravitonen bestehen, die in dem, was manche als Quanten- oder Raumzeitschaum bezeichnen, auftauchen und wieder verschwinden (auch Photonen und andere Quantenteilchen entstehen und verschwinden aufgrund von Quantenfluktuationen). Anstatt nach einzelnen Gravitonen zu suchen, suchen die Forscher nach beobachtbaren Signaturen, die sich aus „Fernkorrelationen“ zwischen komplexen Ansammlungen dieser hypothetischen Teilchen ergeben. Zurick erklärt, dass diese Fernverbindungen eher größeren Wellen im Ozean der Raumzeit ähneln als dem porösen Schaum, in dem sich einzelne Partikel befinden.

„Wir dachten, dass das Vorhandensein von Raumzeitschwankungen den [Laser-]Strahl stören könnte“, sagte sie. „Wir wollten einen Aufbau entwerfen, bei dem die Raumzeitfluktuationen ein Photon aus dem Laserstrahl des Interferometers herausstoßen, und dann könnten wir einen Einzelphotonendetektor verwenden, um die Raumzeitstörung zu messen.“

Entstehende Raumzeit

„Die Schwerkraft ist ein Hologramm“, sagte Monica Jinwoo Kang, Postdoktorandin für theoretische Physik am Sherman Fairchild College in Caltech, und erklärte das holografische Prinzip. Das holografische Prinzip ist ein Schlüsselprinzip von Zuliks Modell. Dieses in den 1990er Jahren mithilfe der Stringtheorie realisierte Prinzip bedeutet, dass dreidimensionale Phänomene wie die Schwerkraft aus einer flachen, zweidimensionalen Oberfläche entstehen können. „Das holografische Prinzip bedeutet, dass alle Informationen innerhalb des Volumens eines Gegenstands auf der Oberfläche kodiert sind“, erklärte Kang.

Genauer gesagt entstehen Schwerkraft und Raumzeit aus der Verschränkung von Teilchen auf einer zweidimensionalen Oberfläche. Subatomare Teilchen verwickeln sich im Raum; Die Partikel agieren als eine Einheit ohne direkten Kontakt miteinander, ein bisschen wie ein Schwarm Stare. „Die moderne Sichtweise der Quantengravitation, die von der Stringtheorie inspiriert ist, geht davon aus, dass Raumzeit und Gravitation aus Netzwerken der Verschränkung entstehen. In diesem Sinne wird die Raumzeit selbst dadurch definiert, wie stark etwas verschränkt ist“, sagte Kang.

„Wenn wir nicht anfangen, nach Möglichkeiten zu suchen, die Quantengravitation mit der natürlichen Welt, in der wir leben, zu verbinden, werden wir in der Wüste verloren gehen.“ — Kathryn Zurick

Bei dem von Zulik und Adhikari vorgeschlagenen Experiment besteht die Idee darin, diese zweidimensionale Oberfläche oder das, was sie den „Quantenhorizont“ nennen, zu untersuchen, um nach Schwankungen der Gravitonen zu suchen. Sie erklären, dass Gravitation und Raumzeit aus dem Quantenhorizont hervorgehen. „Unser Experiment wird die Unschärfe dieser Oberfläche messen“, sagte Zulik.

Diese Unschärfe würde eine Pixelierung der Raumzeit darstellen. Wenn das Experiment erfolgreich ist, könnte es dazu beitragen, unsere Konzepte von Schwerkraft und Raum auf der grundlegendsten und tiefsten Ebene neu zu definieren.

„Wenn ich die Kaffeetasse loslasse und sie herunterfällt, gehe ich davon aus, dass das an der Schwerkraft liegt“, sagte Adhikari. Aber so wie Temperatur nicht ‚real‘ ist, sondern die Schwingung einer Gruppe von Molekülen beschreibt, ist auch Raumzeit vielleicht gar nicht real. Wir sehen Vogel- und Fischschwärme im Gleichschritt schwimmen, obwohl sie eigentlich aus einzelnen Tieren bestehen. Wir nennen Gruppenverhalten emergent. Ähnlich wird etwas, das aus der Pixelierung der Raumzeit entsteht, Gravitation genannt, weil wir den Kern der Raumzeit noch nicht verstehen.

Dieser Artikel wurde übersetzt aus

Quantengravitation: Die Suche nach der Pixelierung des Weltraums — Caltech Magazine

Originallink:

https://magazine.caltech.edu/post/quantum-gravity

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