Quantengravitation – was ist das?

In der Allgemeinen Relativitätstheorie sind Raum und Zeit also dynamisch statt fest. Außerdem sind Raum und Zeit nicht mehr absolut, sondern wie es der Name „Relativitätstheorie“ bereits impliziert, relative Bezugsgrößen. Mit der Beschreibung von Raum und Zeit, wie sie der Allgemeinen Relativitätstheorie unterliegt, scheint die Quantentheorie andererseits aber unvereinbar zu sein.

So muss eine Theorie der Quantengravitation auch neue Antworten auf die Frage liefern, was Raum und Zeit eigentlich sind, wie etwa Raum und Zeit bei kleinsten Abständen beschaffen sind. Bilden diese etwa ein Kontinuum, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie annimmt, oder sind Raum und Zeit möglicherweise gequantelt?

Singularitäten als Schlüsselphänomene

Quanteneffekte machen sich auf kleinsten Größenskalen bemerkbar, wohingegen allgemeinrelativistische Effekte große Massen erfordern. So müssen außergewöhnliche Umstände vorliegen, um beide Bedingungen zu verbinden.

Die Skala, auf der Quantenphysik und Allgemeine Relativitätstheorie zusammentreffen bzw. Quantengravitationseffekte von Bedeutung werden, ist die sog. Planck-Skala. Dabei handelt es sich um winzige Dimensionen und Zeiträume. Die sog. Planck-Länge beträgt 10^-35 m, die Planck-Zeit nur 10^-43 s.

Sehr große Massen oder sehr große Konzentrationen von Masse oder Energie erzeugen gemäß Allgemeiner Relativitätstheorie eine sehr große Raumzeitkrümmung.
Und wenn die gesamte Masse eines Objekts in einem unendlich kleinen „Punkt“ konzentriert ist, wie etwa zum Zeitpunkt des Urknalls die gesamte Masse des Universums in einem unendlich kleinen und dichten Punkt, einer sog. Singularität, konzentriert war, dann reicht die Allgemeine Relativitätstheorie zur Beschreibung des Phänomens nicht mehr aus. Wenn man sog. Singularitäten oder Raumzeitsingularitäten vorfindet, unendlich kleine „Punkte“ unendlich hoher Dichte und mit unendlich hoher Raumzeitkrümmung, dann gelangt Albert Einsteins Relativitätstheorie an ihre Grenzen, und die „Quantenaspekte“ der Gravitation werden von Bedeutung.
Solche Singularitäten, die ein mathematisches Phänomen darstellen, befinden sich gemäß Theorie auch im Inneren von Schwarzen Löchern, deren gesamte Masse auf einen unendlich kleinen und dichten Punkt im Zentrum komprimiert ist.

Unendliche Werte sind allerdings unphysikalisch. Singularitäten sind ein deutliches Zeichen dafür, dass dort die Einsteinsche Allgemeine Relativitätstheorie an ihre Grenzen stößt. An einer Singularität brechen Einsteins Gleichungen zusammen. Sie machen dort überhaupt keinen Sinn mehr.

Somit stellen die Phänomene des Urknalls und der Schwarzen Löcher zum einen Grenzphänomene dar, anhand und mit Hilfe derer sich Quantengravitationseffekte untersuchen lassen. Zum anderen braucht man, um diese Extremphänomene erklären zu können, im Prinzip eine Quantengravitationstheorie, die sowohl die Effekte und Gesetze der Quantentheorie berücksichtigt, als auch diejenigen der Allgemeinen Relativitätstheorie.

So wirft eine vollständige Theorie der Quantengravitationstheorie spannende grundlegende Fragen auf, z. B. auch ob der Urknall wirklich der Ursprung des Universums war oder vielleicht nur ein Übergang von einer anderen Welt, die zuvor existierte, in eine neue.

Bis heute existiert noch keine vollständige Quantengravitationstheorie. Es gibt aber vielversprechende Ansätze. Die wichtigsten und am weitesten entwickelten sind die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation.