Moderne Versuche einer Quantentheorie der Gravitation

Trotz ihres (späten) Erfolgs hat die ART einen entscheidenden Nachteil: Da die Krümmung des Raumes durch die verschiedenen Materiefelder bestimmt wird, diese Materiefelder aber nach moderner Auffassung alle quantisiert sind, muss sich dies auch im Raum manifestieren; die ART muss also angepasst werden. Dies hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, da man bei solchen Vorhaben immer wieder auf schier unüberwindliche mathematische Probleme stößt. In einige Bereichen hat man aber bereits signifikante Fortschritte erzielt: So hat der Mathematiker und Physiker Stephen Hawking (*1942) durch die Anwendung quantentheoretischer Methoden errechnet, dass Schwarze Löcher Strahlung aussenden [23, S. 399-416].

Für die Praxis ist die fehlende Quantisierung meist kein sehr großes Problem: Im atomaren Bereich, wo die Quanteneffekte eine sehr große Rolle spielen, ist die Gravitation wegen ihrer Schwäche bedeutungslos (siehe auch Abschnitt 1.1). Umgekehrt treten in großen Skalen, wo die Gravitation als entscheidende Wechselwirkung beteiligt ist, praktisch keine Quanteneffekte auf [2, S. 254].

Trotzdem ist eine Quantentheorie der Gravitation erstrebenswert: Zum einen ist es für die theoretische Physik natürlich unbefriedigend, nicht alles mit einer Theorie beschreiben zu können; die theoretischen Physiker waren schon immer auf der Suche nach einer Weltformel, die die gesamte Physik beschreibt. Zum anderen gibt es Szenarien in der Physik, wo eine Vereinigung von Quantentheorie und ART nötig wird. Dies ist z. B. beim Urknall der Fall: Die Bedingungen kurz nach dem Urknall waren nach heutigem Wissen so extrem, dass durch die hohe Energie Quanteneffekte und Gravitation gleichzeitig zum Tragen kamen; man spricht sogar von einer Vereinigung der Fundamentalkräfte zu einer einzigen Kraft (siehe auch Kapitel 6). Auf eine Beschreibung solcher Effekte im Rahmen der theoretischen Physik können wir natürlich nur hoffen, wenn wir eine Theorie aufstellen, die die zwei großen modernen Theorien (ART und Quantentheorie) miteinander vereinigt.

Ein Ansatz, der viel versprechend aussieht, sind die so genannten String-Theorien. In ihnen werden die Elementarteilchen als schwingende ,,Fäden`` (Strings) angesehen. Dadurch werden gewisse unendliche Terme in bestimmten Rechnungen vermieden. Es gibt jedoch (mindestens) zwei Tatsachen, die erkennen lassen, dass die String-Theorien noch lange nicht so ausgereift sind, als dass man sie zur ,,Weltformel`` erklären könnte:

• Es gibt eine Vielzahl von konkurrierenden String-Theorien. Manche erlauben nur geschlossene, andere auch offene Strings. Es ist noch lange nicht geklärt, welche Version der String-Theorie richtig ist.
• Eine mathematisch konsistente String-Theorie erfordert eine Raumzeit mit entweder 10 oder 26 Dimensionen [4, S. 97]. Die String-Theoretiker können bis heute noch nicht erklären, warum wir nur vier davon wahrnehmen. Es wird von einer ,,Einrollung`` der zusätzlichen Dimensionen gesprochen, die entsprechende Theorie ist aber weder mathematisch noch physikalisch ausgereift.

Wie alle theoretischen Physiker vor uns müssen wir also weiterhin auf die Weltformel warten, was uns jedoch nicht davon abhält, uns intensiv mit den bestehenden Theorien auseinander zu setzen.