Eine Illustration zeigt ein ungeordnetes Universum. Könnte die Schwerkraft aus der Entropie entstehen? (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Ein neues Rezept für die Schwerkraft könnte dabei helfen, einige der größten Rätsel des Universums zu lösen. Es deutet darauf hin, dass das Konzept der „Quantengravitation“ aus der Entropie entstehen könnte und möglicherweise die Rätsel des schwer fassbaren dunklen Universums löst. Sollte sich dies bewahrheiten, könnte diese neuartige Theorie auch endlich Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenwelt vereinen.
Seit Beginn des 20. Jahrhunderts ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die beste Beschreibung, die wir für die Funktionsweise der Gravitation haben. Doch fast zeitgleich, als Einstein seine Theorie entwickelte, legten Wissenschaftler auch die Grundlagen der Quantenmechanik. Seitdem wurden beide Theorien getestet, überarbeitet und verbessert – sie haben den Test der Zeit bestanden und selbst Skeptiker in der wissenschaftlichen Gemeinschaft überzeugt. Es gibt jedoch ein Problem – und zwar ein großes: Sie lassen sich nicht miteinander vereinbaren.
Während beide Theorien immer weiter verfeinert wurden, haben sie sich dennoch allen Versuchen widersetzt, sie zu vereinen. Eine „Theorie von allem“, die sowohl die allgemeine Relativitätstheorie als auch die Quantenphysik umfasst, hat selbst die Bemühungen so großer Köpfe wie Stephen Hawking und sogar Einstein selbst vereitelt.
Ein großes Hindernis in diesem Bereich ist die Tatsache, dass es keine Theorie der „Quantengravitation“ gibt.
Hier kommt Ginestra Bianconi ins Spiel, eine Professorin für Angewandte Mathematik an der Queen Mary University of London.
Sie schlägt ein Rahmenwerk vor, in dem die Quantengravitation aus der sogenannten „quantum relative entropy“ entsteht – einem Konzept, das misst, wie unterschiedlich zwei Quantenzustände sind.
1915 entwickelte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie. Sie besagt, dass die Schwerkraft entsteht, weil Massen die Struktur der Raumzeit – die vierdimensionale Vereinigung von Raum und Zeit – krümmen. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto stärker verformt sich die Raumzeit und umso größer ist folglich auch dessen gravitative Wirkung.
Dies wurde immer wieder bestätigt, wodurch die allgemeine Relativitätstheorie Newtons Gravitationstheorie als beste Beschreibung des Universums auf kosmischen Skalen ablösen konnte.
Allerdings kann die allgemeine Relativitätstheorie nicht alles erklären.
Dunkle Materie, diese rätselhafte Substanz, die fünfmal mehr wiegt als gewöhnliche Materie, und dunkle Energie, die unbekannte Komponente des Universums, die seine beschleunigte Expansion antreibt – sie werden von der allgemeinen Relativitätstheorie nicht erklärt. Das ist ein großes Problem, denn dunkle Energie macht 68% der gesamten Materie und Energie im Universum aus, und dunkle Materie noch einmal etwa 27%. Das bedeutet, dass das „dunkle Universum“ rund 95% des Materie-Energie-Haushalts des Kosmos ausmacht. Somit repräsentiert die „Materie“, die wir mit der allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben können, nur 5% der Energie und Materie im Universum.
Ein weiteres Problem ist, dass Einsteins Gravitationstheorie nicht mit der Quantenphysik harmoniert.
Eine Illustration zeigt ein ungeordnetes Universum. Könnte die Schwerkraft aus der Entropie entstehen? (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Das neue Rahmenwerk – oder, wenn man so will, das „Rezept“ für die Schwerkraft – übernimmt die Raumzeit-Metrik aus der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese beschreibt die Geometrie von Raum und Zeit anhand von Abständen und Intervallen zwischen Ereignissen. In diesem Ansatz wird sie wie eine mathematische Entität behandelt, die als Operator bezeichnet wird.
In der Quantenphysik werden Operatoren verwendet, um Transformationen an Quantenzuständen durchzuführen, die durch Veränderungen physikalischer Faktoren entstehen. Dieser auf der Allgemeinen Relativitätstheorie basierende Operator führt zu einer neuen „entropischen Wirkung“ und zu modifizierten Einstein-Gleichungen. Bei niedrigen Energien und in Regionen des Raums, in denen nur geringe Krümmung und somit wenig Gravitation herrscht, reproduzieren diese Gleichungen die der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Eine Illustration zeigt ein ungeordnetes Universum. Könnte die Schwerkraft aus der Entropie entstehen? (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Diese neue Forschung geht jedoch noch einen Schritt weiter. Sie sagt das Auftreten einer kleinen, positiv bewerteten kosmologischen Konstante voraus. Das ist bedeutsam, da ihr Wert besser mit den Beobachtungen der beschleunigten Expansion des Universums unter dem Einfluss der dunklen Energie übereinstimmt als andere aktuelle Theorien.
Darüber hinaus ergibt sich aus dieser Theorie ein sogenanntes „G-Feld“, das den gravitativen Einfluss der Dunklen Materie erklären könnte.
„Diese Arbeit schlägt vor, dass Quantengravitation einen entropischen Ursprung hat und deutet an, dass das G-Feld ein Kandidat für dunkle Materie sein könnte“, erklärte Bianconi in einer Stellungnahme. „Darüber hinaus könnte die in unserem Modell vorhergesagte kosmologische Konstante dazu beitragen, die Diskrepanz zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Beobachtungen der Expansion des Universums zu klären.“
Natürlich steht diese Theorie noch ganz am Anfang. Doch angesichts der möglichen weitreichenden Auswirkungen auf unser grundlegendes Verständnis des Kosmos lohnt es sich sicherlich, sie weiter zu erforschen.
Bianconis Forschung wurde am Montag, den 3. März, in der Fachzeitschrift Physical Review D veröffentlicht.
