Als ein Kandidat für eine solche vereinheitlichte Theorie wird die Theorie der Quantengravitation angesehen, die Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie zu einer Theorie vereinigen will.

Bis heute existiert noch keine vollständige Theorie der Quantengravitation. Aber es gibt eine Reihe von vielversprechenden Ansätzen, wie eine solche Theorie aussehen könnte. Die bekanntesten Ansätze sind die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation.

Diese beiden Theorien unterscheiden sich vor allem darin, wo ihre Ausgangspunkte liegen. Die Stringtheorie geht von der Quantentheorie bzw. der Elementarteilchenphysik und dem Standard-Modell aus, während die Schleifen- oder Loop-Quantengravitation ihren Ausgangspunkt in der Allgemeinen Relativitätstheorie sieht.

Edward Witten, einer der
führenden Stringtheoretiker.
[Quelle:
http://www.crafoordprize.se]

Abgesehen von der Stringtheorie und der Schleifenquanten- gravitation existiert noch ein dritter Weg bzw. existieren weitere Ansätze. Dieser Weg wird von Forschern verfolgt, die weder von der Quantentheorie noch der Allgemeinen Relativitätstheorie als Ausgangspunkt ausgehen, die vielmehr beide Theorien verwerfen, weil sie ihrer Meinung nach mangelhaft und unvollständig sind, um vernünftige Ausgangspunkte zu sein. Dieser dritte Weg wird im Gegensatz zu den anderen beiden Theorien nur von einigen wenigen Wissenschaftlern, wie z. B. David Finkelstein, Christopher Isham oder Roger Penrose, verfolgt, die jeweils ihre ganz eigene Vision verfolgen und von fundamentalen Prinzipien ausgehend versuchen, eine neue Theorie zu entwickeln einschließlich neuer mathematischer Formalismen.

Sämtliche Ansätze zu einer Theorie der Quantengravitation haben allerdings eins gemeinsam: Sie gehen alle davon aus, dass Raum und Zeit, wenn sie auf sehr kleinen Maßstäben betrachtet werden, nämlich der sog. Planck-Skala der Größenordnung 10^-35 m, nicht mehr kontinuierlich sind, sondern aus fundamentalen diskreten Einheiten zusammengesetzt sind. Laut Quantengravitationstheorie muss es eine kleinste Raum- und Zeiteinheit geben, nämlich die Planck-Länge 10^-35 m und Planck-Zeit von 10^-43 s.

Stringtheorie

Den Ansatz zu einer Theorie der Quantengravitation, an dem derzeit am intensivsten geforscht wird, z. B. in Princeton (Edward Witten) und Stanford, bzw. der von der größten Zahl an Physikern verfolgt wird, stellt die sog. Stringtheorie dar, die einige theoretische Physiker seit den 1970er Jahren begonnen haben zu entwickeln.

Die Stringtheorie ist als Weiterentwicklung der herkömmlichen Modelle der Elementarteilchenphysik zu verstehen. Allerdings sind die fundamentalen Bestandteile der Materie in dieser Theorie keine punktförmigen Teilchen mehr, sondern sie stellen eindimensionale Objekte, Fäden, engl. strings, dar, die in sich schwingen können.
Es existiert nur eine Art von String. Die verschiedenen Arten von Elementarteilchen werden als verschiedene Schwingungsmoden oder Schwingungszustände dieses Strings interpretiert. Aus der Vielfalt der möglichen Schwingungszustände ergibt sich dann entsprechend die Vielfalt der Elementarteilchen und Austauschteilchen der Kräfte. Photonen und Elektronen sind also nichts anderes als verschiedene Arten, wie der String schwingt.

Werner Heisenberg und
Niels Bohr

Damit die Physik als Ganzes logisch konsistent ist, muss eine Theorie her, die die Quantentheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie zusammenbringt, und darüber hinaus möglichst noch die verschiedenen Teilchen und Kräfte, die wir kennen, beinhaltet.
Aus diesem Grund sind Physiker auf der ganzen Welt schon seit geraumer Zeit fieberhaft dabei, eine Theorie zu entwickeln, die die Erkenntnisse aus beiden Theorien unter einen Hut zu bringen versucht und beide Theorien zu einer einzigen vereinigt, einer sog. Theorie der Quantengravitation.

Wie kann dies indes bewerkstelligt werden?

Quantentheorie versus Allgemeine Relativitätstheorie

Die beiden Theorien unterscheiden sich nicht nur enorm, sie bilden auch in vielerlei Hinsicht Gegensätze und lassen sich in vielen Gesichtspunkten nicht ohne Weiteres zusammenbringen, beschreiben sie doch ganz unterschiedliche Bereiche der Natur.

Die Quantentheorie sagt die Eigenschaften und das Verhalten von Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene voraus, sowie der Kräfte, die diese zusammenhalten, die elektromagnetische, die starke und die schwache Kraft. Sie beinhaltet jedoch nicht die Gravitationskraft, die in der Welt der Atome, Moleküle und Elementarteilchen keine Rolle spielt.
Im Gegensatz zur Quantentheorie ist die Allgemeine Relativitätstheorie eine klassische (nicht quantenphysikalische) Theorie. Sie ist eine Theorie der Gravitation, eine Theorie des Raums, der Zeit und der Kosmologie. Sie beschreibt die Dynamik der Planeten, Sterne und Galaxien sowie die Evolution des gesamten Universums.

Die Allgemeine Relativitätstheorie besitzt einen kontinuierlichen Charakter. In jedem Raumbereich lassen sich Teilbereiche beliebig kleinen Volumens definieren, und jeder Raumbereich lässt sich beliebig oft weiter unterteilen. Es sind auch beliebig kleine Energien möglich. Ganz anders sieht es in der Quantentheorie aus.
So können Energien im atomaren und subatomaren Bereich nur portionsweise, in diskreten Einheiten der Naturkonstante ħ, vorkommen. Man sagt: sie sind gequantelt.
Während die Allgemeine Relativitätstheorie zumindest im Prinzip vollständig deterministisch ist – Objekte besitzen bestimmte Orte und Geschwindigkeiten -, kann die Quantentheorie prinzipiell nur Wahrscheinlichkeiten vorhersagen.

Niels Bohr und Albert Einstein

In der Allgemeinen Relativitätstheorie erhält die Gravitation außerdem eine neue Interpretation. Sie wird nicht mehr als Kraft im herkömmlichen Sinne gemäß Newton verstanden, sondern sie ist als ein Ausdruck der Struktur der Raumzeit – in Einsteins Relativitätstheorie sind Raum und Zeit zu einer Einheit, der vierdimensionalen Raumzeit, verschmolzen – zu verstehen, als eine geometrische Eigenschaft der Raumzeit, eine Krümmung der Raumzeit.
In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist jeder Körper eine Quelle von Raumzeitkrümmung. Große Massen oder Konzentrationen von Masse oder Energie, die Quellen der Gravitation darstellen, krümmen die Raumzeit.

Einer der wichtigsten Aspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie ist gerade, dass die Geometrie des Raums oder der Raumzeit nicht fest ist, sondern sich dynamisch entwickelt und sich durch die Bewegung der Materie mit der Zeit verändert. Bis zu Einstein schienen die Gesetze der Euklidischen Geometrie unabänderlich zu sein.
Es schien unmöglich, dass etwa die Winkel eines Dreiecks sich nicht zu 180 Grad aufaddieren. Doch in der Allgemeinen Relativitätstheorie können die Winkel eines Dreiecks plötzlich alle möglichen Summen ergeben, da die Geometrie des Raums sich krümmen kann.

Schwarzes Loch im Zentrum
der Milchstraße

Doch wer versteht wirklich, was es mit diesen bizarren Objekten auf sich hat? Dies hängt wohl auch damit zusammen, dass der Name bereits missverständlich, wenn nicht gar irreführend ist. Bei einem schwarzen Loch handelt es sich nicht um ein Loch im eigentlichen Sinne. Ein solches Objekt ist auch nicht wirklich schwarz. Ein Schwarzes Loch zeichnet sich vielmehr dadurch aus, dass es vor allem eine substanzielle Eigenschaft besitzt, nämlich Masse, und diese ist auf einen unendlich kleinen und dichten Punkt, die Singularität, konzentriert. An der Singularität wird auch die Gravitationskraft unendlich gross. Die Anziehungskraft eines solchen Objekts ist so groß, dass alles, was in seine unmittelbare Nähe innerhalb eines bestimmten Bereichs, des sog. Ereignishorizonts, gerät, derart stark angezogen wird, dass es unwiederbringlich vom Schwarzen Loch verschlungen wird. Da auch Licht, welches diese Grenze überschreitet, nicht mehr entweichen und zum Beobachter gelangen kann, würde uns das Objekt schwarz erscheinen, wenn wir es denn beobachten könnten. Eigentlich können wir es aber überhaupt nicht sehen. Alles, was innerhalb des Horizonts eines Schwarzen Lochs liegt – also auch die Singularität -, wird für uns Menschen für alle Zeiten verborgen bleiben, so stark wir uns auch anstrengen mögen, das Objekt theoretisch zu verstehen. Und trotzdem oder gerade weil sie so geheimnisvoll sind, stellen Schwarze Löcher eine der ultimativen Herausforderungen der modernen Physik dar.

Gekrümmte Raumzeit
um ein Schwarzes Loch

So wie die meisten Physiker und Astronomen glauben, führt der Kollaps eines genügend massereichen Sterns am Ende seines Lebens, wenn all sein nukleares Brennmaterial aufgebraucht ist und kein Gegendruck mehr zur den Stern zusammenziehenden Gravitationskraft besteht, zu der Entstehung eines Schwarzen Lochs. Nach dieser Vorstellung kollabiert der Stern solange, bis alle Masse innerhalb eines unendlich kleinen und somit unendlich dichten Punkts komprimiert ist. Ähnlich wie zum Zeitpunkt des Urknalls das gesamte Universum in einem unendlich kleinen und dichten Punkt konzentriert sein soll, so kann man sich vorstellen, dass auch die gesamte Masse des Schwarzen Lochs in einem unendlich kleinen Punkt konzentriert ist. In dieser Singularität, die ein mathematisches Phänomen darstellt, steckt die gesamte Masse eines Schwarzen Lochs. Und diese stellt auch die Quelle der Gravitation eines Schwarzen Lochs dar.

Struktur eines Schwarzen Lochs

Die Grenze des Schwarzen Lochs zum restlichen Weltall stellt der Ereignishorizont dar, der die Singularität und damit das Innere des Schwarzen Lochs vor der Außenwelt verbirgt, aber nicht als Oberfläche desselben verstanden werden darf, die es nicht hat. Alles, was von außen diesen Horizont überschreitet, selbst Licht, kann das Schwarze Loch nie mehr verlassen. Dieser Ereignishorizont definiert sich über den sog. Schwarzschild-Radius benannt nach dem Astrophysiker Karl Schwarzschild, der ihre Existenz vorhersagte. Dieser Radius ist proportional zur Masse des Schwarzen Lochs. Je größer also die Masse, desto größer ist auch die Ausdehnung des Objekts. Würde man etwa die Sonne zu einem Schwarzen Loch umfunktionieren wollen mit der Masse der Sonne von 2 mal 10³⁰ kg, so müsste man diese soweit komprimieren, dass von dem ursprünglichen Radius der Sonne von 700.000 km nicht mehr viel übrig bliebe. Man erhielte ein Schwarzes Loch mit einem Radius von nur 3 km. Unsere Erde wäre dagegen vergleichsweise noch winziger. Ihr Radius würde gerade einmal 1 cm betragen.

Lenard, Einstein und der Photoeffekt

Der Physiker Philipp Eduard
Anton von Lenard (1862-1947)

1902 machte der deutsch-ungarische Physiker Philipp Eduard Anton von Lenard die experimentelle Entdeckung, dass bei der Beobachtung von Metall mit Licht nahe des Ultravioletten Elektronen des Metalls vom Licht aus dem Kristallverbund des Metalls herausgelöst werden, so dass ein Strom fließt, dessen Stärke von der Frequenz des Lichts abhängt. Nach der damals geltenden Lehre hätte man aber erwartet, dass die Intensität des Lichts die gemessene Stromstärke bestimme. Außerdem wäre zu erwarten gewesen, dass das Metall zunächst eine bestimmte Zeit mit Licht einer festen Frequenz und Intensität bestrahlt werden muss, bis genug Energie im Metall gesammelt worden wäre, so dass sich Elektronen lösen könnten.
Doch auch die Erwartung wurde experimentell nicht bestätigt. Schon die geringste Intensität erzeugte ohne messbare Zeitverzögerung einen Elektronenstrom.

Diese Umstände konnten die meisten der damals angesehenen Gelehrten kaum in ihrem Weltbild erschüttern. 1905 aber machte Albert Einstein den entscheidenden Schritt und interpretierte das Phänomen mit dem Postulat, dass Licht aus kleinen Energieeinheiten besteht, sog. Photonen, die sich wie Teilchen verhalten, also Kollisionen mit den Elektronen im Metall eingehen. Das Problem war nur: Seit über 350 Jahren war die Huygenssche Wellenmechanik die funktionierende Theorie zur Beschreibung von Wellenphänomenen aller Art.

Skizze von Thomas Young
zum Interferenzphänomen

1803 zeigte der englische Naturwissenschaftler Thomas Young, dass Licht als Wellenphäno- men zu betrachten ist und seit der Entdeckung der elektromagnetischen Wellen 1864 durch James Clerk Maxwell war die Beschreibung des Lichts als elektromagnetische Welle auch in mathema- tischer Form möglich.

Wie kann Licht also ein Wellenphänomen sein
und gleichzeitig die Eigenschaften von Teilchen aufweisen?

Louis de Broglie ging 1924 noch einen Schritt weiter und postulierte, dass, wenn Licht Teilchencharakter habe, sich auch Teilchen wie Licht verhalten könnten, also Wellen- charakter besäßen. Ein Strahl von Elektronen etwa sollte sich also wie ein Lichtstrahl verhalten. 1927 gelang Davisson und Germer tatsächlich dieser Nachweis.