Auf der Quantengravitation ruhen die größten Hoffnungen der Physik: Seit nunmehr einhundert Jahren suchen Forscherinnen und Forscher nach einem Schlüssel, um Schwerkraft und Quantentheorie endlich zu vereinen. Doch bislang ohne Erfolg.
Wer das Problem der Unvereinbarkeit verstehen will, muss in die Welt der Naturwissenschaften Anfang des 20. Jahrhunderts eintauchen. Denn damals erschütterte Albert Einstein mit seiner allgemeine Relativitätstheorie die Grundfesten der Physik. Sie beschreibt die Gravitation als Krümmung der Raumzeit und funktioniert auf großen Skalen hervorragend. Nur wenige Jahre später kam mit den Quantenmechanik der nächste Theorie-Hammer. Sie befasst sich mit den kleinsten Bausteinen der Natur.
Das Problem: Beide Theorien sind zwar äußerst erfolgreich, aber ihre Grundlagen widersprechen sich. Die Herausforderung ist, diese beiden Welten in einer einheitlichen Theorie zu vereinen.
Quantengravitation: Die Weltformel?
In Zusammenhang mit der Quantengravition fällt immer wieder auch der Begriff Weltformel. Das klingt vielleicht etwas hochtrabend, beschreibt die Bedeutung für die Wissenschaft aber ganz gut. Es geht um eine Theorie, mit der sich alles beschreiben lässt. Eine Theorie, die alle vier fundamentalen Kräfte der Natur — Gravitation, Elektromagnetismus sowie starke und schwache Kernkraft — vereinen würde. Das gilt als der heilige Gral der Physik, bleibt jedoch bis heute ein ungelöstes Rätsel.
In den vergangenen hundert Jahren haben sich unzählige Forschende an einer Lösung versucht. Es gab zahlreiche, vielversprechende Ansätze, darunter die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation. Der berühmte Physiker Stephen Hawking trug wesentlich zur Diskussion bei, indem er zeigte, dass Schwarze Löcher durch Quantenmechanik Strahlung abgeben (Hawking-Strahlung).
Bisher scheiterten jedoch alle Versuche an fundamentalen theoretischen und experimentellen Hürden. Die Energien, die benötigt werden, um Quanten- und Gravitationsphänomene direkt zu testen, liegen weit außerhalb unserer technischen Möglichkeiten. Auch mathematisch gibt es Schwierigkeiten, eine schlüssige Theorie zu formulieren, die Singularitäten wie etwa im im Urknall vermeidet.
Das Problem ist, dass alle Ansätze irgendwann in einer Sackgasse münden.
Manon Bischoff
Manon Bischoff ist Redakteurin für Mathematik und Physik bei Spektrum der Wissenschaft. Sie erklärt im Gespräch mit detektor.fm-Moderator Marc Zimmer, wie bedeutend eine Theorie der Quantengravitation wäre und auf welchen Ansätzen aktuell die größten Hoffnungen ruhen.