Quantum gravitation

Den kvant gravitationen är en teori för närvarande är under utveckling som kvantfysik och allmänna relativitets bör, så de två stora fysiska teorier av 20-talet förenas. Medan den allmänna relativitetsteorin endast beskriver en av de fyra elementära krafterna i universum, nämligen gravitationen , behandlar kvantteorin de tre andra elementära krafterna ( elektromagnetisk interaktion , svag interaktion och stark interaktion ). Enandet av dessa två teorier är värt att sträva efter, bland annat på grund av deras överlappning, men också på grund av deras avvikande konsekvenser när det gäller vetenskapens filosofi.

bakgrunder

I allmänhet beskriver den allmänna relativitetsteorin universums struktur i stor skala och är praktiskt möjlig för stora massor och accelerationer . Kvantteori beskriver å andra sidan samspelet mellan de minsta partiklarna i små rymdområden.

Även om gravitationen är den svagaste av de elementära krafterna, bestämmer den inte bara fysikens världsuppfattning , utan dominerar också, trots sin "litenhet" i jämförelse med de andra interaktionerna, deras fenomen i stor skala: Det är det enda av de fyra elementära krafter som enligt dagens kunskap uteslutande verkar attraktiva, eftersom det bara finns en gravitationsladdning (massan), och därför finns det inga motsatta laddningar som kan avbryta varandra. De andra elementära krafterna är å andra sidan bara viktiga för mikroskopiska processer, även om deras storlek generellt är mycket större än tyngdkraften - med undantag för den elektromagnetiska interaktionen, som är ganska makroskopisk och, när det gäller interstellar plasma eller magnetfält från till exempel solen och jorden, också kosmiska skalor. De två teorierna överlappar varandra i vissa extrema fall.

• För det första är det big bang : Detta är ett problem i modellen för allmän relativitet, eftersom här rymdtidens krökning blir oändlig ( matematiskt och astronomiskt "singulärt beteende" ), vilket åsidosätter lagarna för allmän relativitet, liksom densitet och temperatur antar extrema värden.
• För det andra inkluderar dessa de så kallade svarta hålen , som på grund av sin enorma massa och sin lilla storlek också böjer rymdtid till en singularitet.

Vissa fysiker associerar gravitationens förening med de andra elementära krafterna, som ännu inte har formulerats, med hoppet om att formellt oändliga termer inte längre kommer att förekomma i en sådan teori och att extrema fall där alla elementära krafter måste beaktas lika kan sedan beräknas.

Dessutom är kvant gravitation en möjlig kandidat för en TOE ( T heory O f E verything).

Problem

Hittills har tyngdkraften dock ständigt motstå fysikernas försök att infoga den i en kvantmodell . Detta baseras på det faktum att alla krafter är indelade i elementära delar , kvantan , varvid påståendena om de uppmätta mängderna i teorin endast är sannolikhetsuttalanden (se t.ex. kvantmekaniska tillstånd ). Dessa påståenden om krafterna uppdelade i individuella kvanter kan exakt beräknas och motiveras i kvantteorin (och bara där, se t.ex. EPR -paradoxen ).

Tyngdkraften kan dock inte brytas ner i kvanter så lätt. Även med klassisk behandling i den allmänna relativitetsteorin, orsakar överlagringen av rymdtidskurvor redan nya rymdtidskurvaturer (icke-linjäritet i Einsteins fältekvationer ). I dag presenteras därför olika teorier för att göra detta möjligt.

Huvudproblemet vid formulering av en teori om kvantgravitation är att etablerade metoder som är kända från andra kvantfältsteorier inte direkt kan överföras till allmän relativitet. I synnerhet misslyckas den störningsteoretiska kvantiseringen och renormaliseringen av gravitationen. Om man försöker konstruera teorin med hjälp av gravitoner och deras interaktioner (med hjälp av Feynman -diagram ), hittar man oändligheterna kända från andra kvantfältsteorier; eliminering av dessa oändligheter är emellertid inte möjlig med de etablerade metoderna. Kvalitativt kan de återstående oändligheterna förklaras av den icke-linjära gravitationsinteraktionen som beskrivs ovan, eftersom när man lägger ihop högenergiprocesser för gravitoner kan nya kopplingsprocesser och resulterande avvikelser från loopprocesser uppstå, vilket inte längre kan förklaras av parametrarna för den ursprungliga Lagrangian. För en teori om kvantgravitation måste nya metoder för kvantisering eller renormalisering konstrueras, som bör ha en icke-störande karaktär på grund av den tidigare diskuterade aspekten . Men om man begränsar sig till gravitationseffekter i en låg energiskala, kan kvantiseringen av gravitation som en effektiv fältteori eller som en semiklassisk gravitationsteori (t.ex. i samband med beskrivningen av långvågiga gravitationella vågor) redan lyckas genomförs idag.

Kandidater för en teori om kvantgravitation

En utmanare för kvantgravitation är strängteori , där alla elementära partiklar representeras av endimensionella strängar. Enligt det nuvarande kunskapsläget kan denna teori dock bara formuleras i ett 10-, 11- eller 26-dimensionellt universum. Dessutom är det oklart om och på vilket sätt den återger den välkända standardmodellen av elementära partiklar.

Ett alternativ är loop -kvantgravitation (även loop -quantum gravity LQG ), där rymden och tiden också kvantiseras. Under loopen av kvantgravitation omformuleras den allmänna relativitetsteorin först som en mätningsteori och en modifierad kvantiseringsregel tillämpas. Idag (2018) har det ännu inte slutligen klargjorts om teorin som definieras på detta sätt är i sig konsekvent och om den återger resultaten av den allmänna relativitetsteorin i det klassiska gränsfallet.

Ett annat alternativ är tillvägagångssättet för så kallad asymptotisk säkerhet, en generalisering av asymptotisk frihet , som syftar till en icke-störande kvantisering och renormalisering av den allmänna relativitetsteorin. Detta undviker problemen med störande kvantisering som nämnts ovan; de kopplingskonstant och fysiska storheter såsom spridnings amplituder förblir ändliga.

Den kausala dynamiska trianguleringen presenterar ett tillvägagångssätt är att tyngdkraften i en diskretiserad version kan jämföras med gittermätningsteorin med hjälp av vägintegral Quantization och kvant Monte Carlo -metod för att lösa. Denna formulering möjliggör beräkning av olika "faser" av kvantgravitation; I Limes med lång räckvidd resulterar ett av -sitter universum automatiskt , dvs den kausala dynamiska trianguleringen reproducerar möjligen ett universum med icke-försvinnande kosmologisk konstant och accelererad expansion utan ytterligare antaganden .

Den Super gravitation avser en klass av fältteori, teorin om den allmänna relativitets till förlängningar av super symmetriska fält, i synnerhet till den hypotetiska gravitino som en spin-3/2-partner till (likaledes hypotetiska) Spin-2- graviton resultat . Olika klasser av övervikt uppstår som gränsfall av supersträngsteorier inom gränsen för försvinnande stränglängd. Tanken bakom supergravitation är att den ska omfatta standardmodellen för elementära partiklar samt lösa renormaliseringsproblemet. Det senare kunde inte bevisas klart förrän idag (2018).

Detta är bara några få teorier, det finns också ett antal andra förklaringsmodeller.

Klassificering av kvantgravitation

Planck -skalan

Om man bildar teorins karaktäristiska fysiska mängder med hjälp av de associerade naturliga konstanterna för gravitationsteori och kvantteori och jämför dem med varandra, kan man erhålla de karakteristiska längderna, tiderna och energierna från Planck -eran :

Detta fungerar ungefär så här: Den karakteristiska gravitationsenergin för två "Planck -massor" på ett avstånd av en Planck -längd är: med gravitationskonstanten . Å andra sidan resulterar den (reducerade) Planck -konstanten och Planck -tiden (= Plancklängd / c , med ljusets hastighet c ) i samma karakteristiska energi från identiteten . Genom att jämställa får man om man också ersätter den tillhörande Compton -våglängden . ${\ displaystyle M _ {\ mathrm {P}}}$${\ displaystyle l _ {\ mathrm {P}}}$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {P}} = - GM _ {\ mathrm {P}} ^ {2} / l _ {\ mathrm {P}},}$${\ displaystyle G}$${\ displaystyle \ hbar}$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {P}} = \ hbar / (l _ {\ mathrm {P}} / c)}$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {P}}}$${\ displaystyle l _ {\ mathrm {P}}}$ ${\ displaystyle l _ {\ mathrm {P}} = \ hbar / (M _ {\ mathrm {P}} \ cdot c)}$

Sammantaget resulterar detta i ett mycket högt värde för Planck -energin (≈ 10 ¹⁹  GeV) och mycket små värden för Planck -längden (≈ 10 ⁻³⁵  m) och Planck -tiden (≈ 10 ⁻⁴³  s). Detta visar att kvantgravitation innefattar extrema processer som inte spelar någon roll i vardagen. Dessa processer är dock viktiga för politiska frågor.

Se även

• Kvantgeometri
• Graviton
• Holografisk princip

litteratur

• Robin Schumann: Quantum Gravity. Shaker, Aachen 2006, ISBN 3-8322-5683-0 .
• Claus Kiefer : Quantum gravity. Oxford universitet. Press, Oxford 2007, ISBN 0-19-921252-X .
• Daniele Oriti: Approaches to Quantum Gravity - Mot en ny förståelse för rymd, tid och materia. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2009, ISBN 978-0-521-86045-1 .
• Andrés Gomberoff, Donald Marolf: Föreläsningar om kvantgravitation. Springer, New York 2005, ISBN 0-387-23995-2 .
• Carlo Rovelli : Quantum gravity. Univ. Press, Cambridge 2005, ISBN 0-521-83733-2 .
• Carlo Rovelli: Loop Quantum Gravity. Levande recensioner i relativitet, 2008, PDF , 838 kB
• Lee Smolin : Kvantteorier om gravitation - resultat och utsikter. Pp. 492-527, i: John D. Barrow: Science and ultimate reality. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2004, ISBN 0-521-83113-X .
• Lee Smolin: Quanta of Spacetime. , från: Spektrum der Wissenschaft (mars 2004), s. 54–63. ISSN  0170-2971
• Nick Huggett, et al.: Fysik möter filosofi på Planck -skalan - samtida teorier om kvantgravitation. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2001, ISBN 0-521-66445-4 .
• Martin Bojowald: Tillbaka till Big Bang. S. Fischer, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-10-003910-1 .
• Martin Bojowald: Loop Quantum Cosmology. Levande recensioner i relativitet, 2008, PDF , 1752 kB
• Claus Kiefer: Kvantkosmoset - från den tidlösa världen till det växande universum. S. Fischer, Frankfurt am Main 2008, ISBN 978-3-10-039506-1 .
• Pierre S. Farrugia, Robert B. Mann, Tony C. Scott: N-body Gravity och Schrödinger-ekvationen. Klass. Quantum Grav. 24 : 4647-4659, 2007, Classical and Quantum Gravity, volym 24, 2007 - IOPscience ; Arxiv -artikel

webb-länkar

• Birgit Bomfleur: Äpplet studsar inte långt från stammen . I: Quanten.de nyhetsbrev . Maj 2003, ISSN  1618-3770 ( quanten.de [PDF; 261 kB ] En lättförståelig introduktion). 
• Steven Weinstein, Dean Rickles:  Quantum Gravity. I: Edward N. Zalta (red.): Stanford Encyclopedia of Philosophy .
• Introduktion till quantum gravity Perimeter Institute Recorded Seminar Archive 2006.