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Eine der größten Herausforderungen der modernen Physik besteht darin, eine einzige oder „einheitliche“ Theorie zu finden, die alle Naturgesetze in einem einzigen Rahmen beschreiben kann. Eine, die die beiden großen (und unvereinbaren) Theorien verbindet, die Wissenschaftler heute nutzen, um die Realität zu verstehen: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die das Universum im großen Maßstab beschreibt; und Quantenmechanik, die unsere Welt auf atomarer Ebene beschreibt. Der Grund, warum diese beiden erfolgreichen Theorien zusammenpassen, ist eines der größten Rätsel, mit denen die Wissenschaft konfrontiert ist.
Wenn diese Theorie der „Quantengravur“ bestätigt wird, wird sie sowohl eine makroskopische als auch eine mikroskopische Beschreibung der Realität umfassen, und unsere würde auch einen tiefen Einblick in Phänomene geben, die heute unzugänglich sind, wie etwa Schwarze Löcher oder den Moment, in dem das Universum entstand.
Aber wie bekommt man es? Fast ein Jahrhundert lang haben mehrere Generationen von Physikern erfolglos versucht herauszufinden, warum die Gesetze, die im Bereich des ganz Kleinen gelten, in der makroskopischen Welt um uns herum nicht „funktionieren“ und umgekehrt. Jetzt hat ein Forscherteam der Technischen Universität Chalmers in Schweden zusammen mit dem amerikanischen MIT einen Artikel in „Nature Communications“ veröffentlicht, in dem sie vermuten, dass die Schwerkraft, die Kraft, die das Universum beherrscht, in großem Maßstab entsteht. eigentlich aus der Quantenwelt. Um zu dieser außergewöhnlichen Schlussfolgerung zu gelangen, haben sich Forscher der fortgeschrittenen Mathematik und dem sogenannten „holographischen Prinzip“ zugewandt.
„Unsere Bemühungen, die Augen der Natur zu verstehen“, erklärt Daniel Persson, Mitautor der Studie, „und die Sprache, in der diese Gesetze geschrieben sind, ist Mathematik.“ Wenn wir in der Physik nach Antworten auf Fragen suchen, führen sie uns oft auch zu neuen Entdeckungen in der Mathematik. „Besonders ausgeprägt ist diese Wechselwirkung bei der Suche nach der Quantengravitation, wo es äußerst schwierig ist, Experimente durchzuführen.“
Ein Beispiel für ein Phänomen, das eine solche einheitliche Beschreibung seiner Schwarzen Löcher erfordert. Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn ein ausreichend schwerer Stern unter seiner eigenen Gravitationskraft kollabiert, sodass seine gesamte Masse in einem extrem kleinen Volumen konzentriert ist. Die Beschreibung der Quantenmechanik Schwarzer Löcher steckt noch in den Kinderschuhen, erfordert jedoch spektakuläre fortgeschrittene Mathematik.
In diesem Fall der einheitlichen Theorie, erklärt Robert Berman, der Erstunterzeichner des Artikels, „besteht die Herausforderung darin, zu beschreiben, wie sich die Schwerewelle als ein ‚auftauchendes‘ Phänomen gebildet hat.“ So wie Alltagsphänomene wie das Fließen einer Flüssigkeit aus den chaotischen Bewegungen einzelner Tröpfchen entstehen, wollen wir beschreiben, wie die Schwerkraft aus dem quantenmechanischen System auf mikroskopischer Ebene entsteht.“
Aus dieser Form demonstrierten die Forscher, wie Kies aus einem speziellen System der Quantenmechanik entsteht, in einem durch Quantenkies vereinfachten Modell, das als „holographisches Prinzip“ bezeichnet wird.
„Mithilfe mathematischer Techniken, die ich bereits zuvor untersucht hatte“, fährt Berman fort, „ist es uns gelungen, eine Erklärung dafür zu formulieren, wie die Schwerkraft durch das holographische Prinzip entsteht, und zwar präziser als zuvor.“
Der neue Artikel bietet möglicherweise auch eine neue Möglichkeit, mit mysteriöser dunkler Energie umzugehen. In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie wird die Schwerkraft als geometrisches Phänomen beschrieben. So wie sich ein frisch gemachtes Bett unter dem Gewicht einer Person krümmt, können schwere Objekte die Raumzeit krümmen, das „Gewebe“, aus dem das Universum besteht.
Aber nach Einsteins Theorie hat sogar der leere Raum, der „Vakuumzustand“ des Universums, eine reiche geometrische Struktur. Wenn wir uns diesem Hohlraum nähern und ihn mit einem Mikroskop betrachten würden, würden wir winzige quantenmechanische Fluktuationen oder Wellen sehen, die als Dunkle Energie bekannt sind, die mysteriöse Energie, die sich bildet und die für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich gemacht wird.
Die Studie könnte zu nüchternen neuen Erkenntnissen darüber führen, wie diese mikroskopisch kleinen quantenmechanischen Wellen entstehen, sowie zum Zusammenhang zwischen Einsteins Gravitationstheorie und der Quantenmechanik, etwas, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten versuchen.
„Diese Ergebnisse – so Persson abschließend – eröffnen die Möglichkeit, andere Aspekte des holographischen Prinzips zu testen, beispielsweise die mikroskopische Beschreibung von Schwarzen Löchern. „Wir hoffen, diese neuen Erkenntnisse auch in Zukunft nutzen zu können, um neue Wege in der Mathematik zu beschreiten.“
