Quantengravitation – was ist das?

Seit jeher existiert ein Traum – und nicht nur unter Physikern – von einer vereinheitlichten Theorie der Physik, einer Theorie von Allem, die die Realität und die Natur vollständig beschreiben kann. Zwei große Theorien, die beide in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt wurden, bilden die Grundlage der modernen Physik:
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die die Physik des Makrokosmos beschreibt, und die Quantentheorie, die sich mit der Physik auf kleinster Ebene, des Mikrokosmos, beschäftigt und von Niels Bohr, Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger und vielen anderen entwickelt wurde. Beide Theorien haben sich in unzähligen Experimenten bewährt. Doch weder die eine, noch die andere Theorie kann für sich alleine genommen eine vollständige Beschreibung der Natur gewährleisten.

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.

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.