Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine der Säulen der modernen Physik. Ihre Gesetze bestimmen, was auf großräumigen Skalen im Kosmos geschieht, von der Bewegung der Planeten im Sonnensystem über Sterne und Galaxien bis hin zur Entwicklung des Gesamtuniversums, die wir im vorangehenden Abschnitt kennengelernt haben.
Es gibt aber noch eine weitere, mindestens ebenso grundlegende Säule: die Quantentheorie, die unabdinglich ist, um das Verhalten der Materie auf mikroskopischen Größenskalen zu beschreiben. Fast zeitgleich mit der speziellen Relativitätstheorie am Anfang des 20. Jahrhunderts entstanden, liegt die Quantentheorie der modernen Elementarteilchenphysik zugrunde, der Atomphysik und der Festkörperphysik, und ihre Anwendungen haben in Form der Laser von CD-Spielern und der Transistoren jeglicher Elektronik längst Einzug in den Alltag gehalten.
Für den Elektromagnetismus und die elementaren Kräfte, die Atomkerne zusammenhalten und für radioaktive Zerfälle verantwortlich sind, haben die Physiker längst eine genaue Beschreibung als Quantenkräfte formulieren können, die sich in Teilchenbeschleuniger-Experimenten bestens bewährt.
Nur die Gravitation hat sich einer Quantenbeschreibung bislang erfolgreich widersetzt – wie eine Theorie der Quantengravitation aussieht gehört trotz vielversprechender Ansätze zu den offenen Fragen der Physik.
Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 1: Speziell-relativistische Quanten
Quantentheorie und Relativitätstheorien sind allesamt Kinder des beginnenden zwanzigsten Jahrhunderts, und es verwundert nicht, dass sich die Physiker recht bald Gedanken zu machen begannen, ob es möglich sei, diese Theorien miteinander zu verbinden und beispielsweise eine Quantentheorie relativistischer Teilchen zu formulieren. Was die Spezielle Relativitätstheorie angeht, haben sich die entsprechenden Versuche als äußerst erfolgreich erwiesen. […]
Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 2: Zerstrahlende Schwarze Löcher?
Lassen sich die Konzepte der relativistischen Quantenfeldtheorien auch auf gekrümmte Raumzeiten übertragen – auf die Raumzeiten mit Gravitationsquellen, wie sie die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt? Die Antwort darauf ist ein vorsichtiges Ja. Der wohl berühmteste Schritt in diese Richtung gelang Anfang der 1970er Jahre dem Physiker Stephen Hawking. Hawking betrachtete Quantenteilchen, die nicht in der gravitationsfreien […]
Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 3: Grenzen der Gravitation
In den bisherigen Kapiteln von Einstein für Einsteiger zeigten sich an zwei Stellen Grenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie. In beiden Fällen ging es um Raumzeit-Singularitäten. Erstes Beispiel war das Innere Schwarzer Löcher. Wie im Abschnitt Schwarze Löcher kurz angesprochen, lauert im Inneren ein Raumzeitrand, an dem die Reise eines hineinfallenden Objektes ein abruptes Ende findet, eine […]
Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 4: Gravitation in Schleifen
Aus Sicht der Einsteinschen Theorie ist eigentlich nicht überraschend, dass die Versuche scheitern, die Schwerkraft so als Quantenkraft zu beschreiben wie Elektromagnetismus und Kernkräfte. Gravitation ist bei Einstein gerade keine Kraft wie andere Kräfte, sondern eine Eigenschaft der Raumzeit selbst. Ein Versuch, eine eng an der Geometrie orientierte Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln, ist die […]
Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil 5: Superfäden und universelle Harmonie
Derjenige Ansatz für eine Theorie der Quantengravitation, an dem derzeit am intensivsten geforscht wird, ist die sogenannte Stringtheorie. Sie ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Modelle der Elementarteilchenphysik, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Ihre Grundbestandteile sind nicht Punktteilchen, sondern eindimensionale Objekte, die namensgebenden Fäden, englisch strings. Im Gegensatz zu Punktteilchen können Strings in sich schwingen, wie […]
Relativität und Quanten / Einsteiger-Tour Teil Fazit
Die Kombination aus Relativitätstheorie und Quantentheorie führt zum Teil zu wissenschaftlichen Triumphen, zum Teil zu immer noch ungelösten Fragen. Die Verbindung von Spezieller Relativitätstheorie und Quantenkonzepten führt zu den relativistischen Quantenfeldtheorien, der Grundlage der modernen Teilchenphysik, und liefert eine Vielzahl von Vorhersagen, die mit großer experimenteller Genauigkeit bestätigt werden konnten. Auf die Frage, wie eine […]