Der Physiker, der darauf wettet, dass die Schwerkraft nicht quantisiert werden kann | Quanta-Magazin

Die meisten Physiker gehen davon aus, dass die unintuitive Verrücktheit der Quantenmechanik bis in die kleinsten Maßstäbe bestehen bleibt, wenn wir in das Gefüge der Realität hineinzoomen. Aber in solchen Situationen kollidiert die Quantenmechanik mit der klassischen Schwerkraft auf völlig unvereinbare Weise.

Seit fast einem Jahrhundert versuchen Theoretiker, eine einheitliche Theorie zu schaffen, indem sie die Schwerkraft quantisieren oder sie nach den Regeln der Quantenmechanik formen. Es ist ihnen immer noch nicht gelungen.

Jonathan Oppenheim, der am University College London ein Programm zur Erforschung von Post-Quanten-Alternativen leitet, vermutet, dass das daran liegt, dass die Schwerkraft einfach nicht in eine Quantenbox gepresst werden kann. Vielleicht, argumentiert er, sei unsere Annahme, dass es quantisiert werden müsse, falsch. „Diese Ansicht ist tief verwurzelt“, sagte er. „Aber niemand weiß, was die Wahrheit ist.“

Quantentheorien basieren eher auf Wahrscheinlichkeiten als auf Gewissheiten. Wenn Sie beispielsweise ein Quantenteilchen messen, können Sie nicht genau vorhersagen, wo Sie es finden werden, aber Sie können die Wahrscheinlichkeit vorhersagen, dass es an einem bestimmten Ort gefunden wird. Und je sicherer man über den Ort eines Teilchens ist, desto weniger sicher ist man über seinen Impuls. Im Laufe des 20. Jahrhunderts verstanden Physiker anhand dieses Rahmens allmählich den Elektromagnetismus und andere Kräfte. 

Doch als sie versuchten, die Schwerkraft zu quantisieren, stießen sie auf unnatürliche Unendlichkeiten, die mit ungeschickten mathematischen Tricks umgangen werden mussten.

 Die Probleme entstehen, weil die Schwerkraft ein Ergebnis der Raumzeit selbst ist und nicht etwas, das auf ihr wirkt. Wenn also die Schwerkraft quantisiert ist, bedeutet das, dass auch die Raumzeit quantisiert ist. Aber das funktioniert nicht, weil die Quantentheorie nur vor einem klassischen Raum-Zeit-Hintergrund Sinn macht – man kann keine Quantenzustände hinzufügen und dann auf einer unsicheren Grundlage weiterentwickeln. 

Um diesen tiefgreifenden konzeptionellen Konflikt zu lösen, wandten sich die meisten Theoretiker der Stringtheorie zu, die davon ausgeht, dass Materie und Raumzeit aus winzigen, vibrierenden Saiten entstehen. Eine kleinere Fraktion suchte nach einer Schleifenquantengravitation, die die glatte Raumzeit von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie durch ein Netzwerk ineinandergreifender Schleifen ersetzt. In beiden Theorien entsteht unsere vertraute, klassische Welt irgendwie aus diesen grundlegenden Quantenbausteinen. 

Oppenheim war ursprünglich ein Stringtheoretiker und Stringtheoretiker glauben an den Vorrang der Quantenmechanik. Doch bald wurde ihm die aufwändige mathematische Akrobatik, mit der seine Kollegen eines der berüchtigtsten Probleme der modernen Physik angingen, unangenehm: das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs. 

Im Jahr 2017 begann Oppenheim mit der Suche nach Alternativen, die das Informationsparadoxon umgehen, indem er sowohl die Quantenwelt als auch die klassische Welt als Grundlage nahm. Er stolperte über einige, die er übersehen hatte Forschungsprojekte zur Quantenklassik Hybride Theorien aus den 1990er Jahren, die er war Verlängerung und Erkundung seitdem. Durch die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen der klassischen Welt und der Quantenwelt hofft Oppenheim, eine tiefere Theorie zu finden, die weder quanten- noch klassisch ist, sondern eine Art Hybrid. „Oft legen wir alles auf eine Karte, wenn es viele Möglichkeiten gibt“, sagte er. 

Um seinen Standpunkt klarzustellen, hat Oppenheim kürzlich gesagt eine Wette gemacht mit Geoff Penington und Carlos Rovelli – führend auf ihren jeweiligen Gebieten der Stringtheorie und der Schleifenquantengravitation. Die Chancen? 5,000 zu 1. Wenn Oppenheims Vermutung richtig ist und die Raumzeit nicht quantisiert ist, kann er jede Menge Kartoffelchips und buntes Plastik gewinnen Bazinga-Bälle, oder Schuss Olivenöl, je nach Lust und Laune – solange jeder Artikel höchstens 20 Pence (ca. 25 Cent) kostet.

Wir trafen uns in einem mit Büchern gesäumten Café im Norden Londons, wo er ruhig seine Bedenken über den Status quo der Quantengravitation aussprach und die überraschende Schönheit dieser hybriden Alternativen lobte. „Sie werfen alle möglichen bemerkenswert subtilen Fragen auf“, sagte er. „Bei dem Versuch, diese Systeme zu verstehen, habe ich wirklich den Halt verloren.“ Aber er hält durch. 

„Ich will meine 5,000 Bazinga-Bällchen.“

Das Interview wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit komprimiert und bearbeitet.

Warum sind sich die meisten Theoretiker so sicher, dass die Raumzeit quantisiert ist?

Es ist zum Dogma geworden. Alle anderen Felder der Natur sind quantisiert. Man hat das Gefühl, dass die Schwerkraft nichts Besonderes ist – sie ist einfach ein Feld wie jedes andere – und deshalb sollten wir sie quantisieren.

Ist die Schwerkraft Ihrer Meinung nach etwas Besonderes?

Ja. Physiker definieren alle anderen Kräfte anhand von Feldern, die sich in der Raumzeit entwickeln. Allein die Schwerkraft verrät uns etwas über die Geometrie und Krümmung der Raumzeit selbst. Keine der anderen Kräfte beschreibt die universelle Hintergrundgeometrie, in der wir leben, so gut wie die Schwerkraft.

Unsere derzeit beste Theorie der Quantenmechanik nutzt diese Hintergrundstruktur der Raumzeit – die durch die Schwerkraft definiert wird. Und wenn Sie wirklich glauben, dass die Schwerkraft quantisiert ist, verlieren wir diese Hintergrundstruktur.

Auf welche Probleme stoßen Sie, wenn die Schwerkraft klassisch und nicht quantisiert ist?

Lange Zeit glaubte die Community, dass es logisch unmöglich sei, dass die Schwerkraft klassisch sei, da die Kopplung eines Quantensystems mit einem klassischen System zu Inkonsistenzen führen würde. In den 1950er Jahren stellte sich Richard Feynman eine Situation vor, die das Problem beleuchtete: Er begann mit einem massiven Teilchen, das sich an zwei verschiedenen Orten überlagerte. Diese Orte könnten zwei Löcher in einem Metallblech sein, wie im berühmten Doppelspaltexperiment. Auch hier verhält sich das Teilchen wie eine Welle. Es erzeugt ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen auf der anderen Seite der Schlitze, wodurch es unmöglich ist, zu wissen, durch welchen Schlitz es gegangen ist. In populären Berichten wird manchmal beschrieben, dass das Teilchen gleichzeitig durch beide Schlitze geht.

Da das Teilchen aber eine Masse hat, erzeugt es ein Gravitationsfeld, das wir messen können. Und dieses Gravitationsfeld verrät uns seinen Standort. Wenn das Gravitationsfeld klassisch ist, können wir es mit unendlicher Präzision messen, auf die Position des Teilchens schließen und bestimmen, durch welchen Spalt es gegangen ist. Dann haben wir eine paradoxe Situation: Das Interferenzmuster sagt uns, dass wir nicht bestimmen können, durch welchen Spalt das Teilchen gegangen ist, aber das klassische Gravitationsfeld ermöglicht uns genau das.

Aber wenn es sich bei dem Gravitationsfeld um ein Quantenfeld handelt, gibt es kein Paradoxon – bei der Messung des Gravitationsfeldes schleicht sich Unsicherheit ein, und daher besteht immer noch Unsicherheit bei der Bestimmung der Position des Teilchens.

Wenn sich die Schwerkraft also klassisch verhält, wissen Sie am Ende zu viel. Und das bedeutet, dass liebgewonnene Ideen aus der Quantenmechanik, wie etwa die Superposition, scheitern?

Ja, das Gravitationsfeld weiß zu viel. Aber es gibt eine Lücke in Feynmans Argumentation, die das Funktionieren der klassischen Schwerkraft ermöglichen könnte.

Was ist das für eine Lücke?

Derzeit wissen wir nur, welchen Weg das Teilchen genommen hat, weil es ein eindeutiges Gravitationsfeld erzeugt, das die Raumzeit krümmt und es uns ermöglicht, den Standort des Teilchens zu bestimmen. 

Aber wenn diese Wechselwirkung zwischen dem Teilchen und der Raumzeit zufällig – oder unvorhersehbar – ist, dann bestimmt das Teilchen selbst nicht vollständig das Gravitationsfeld. Das bedeutet, dass die Messung des Gravitationsfeldes nicht immer Aufschluss darüber gibt, durch welchen Spalt das Teilchen gegangen ist, da sich das Gravitationsfeld in einem von vielen Zuständen befinden könnte. Der Zufall schleicht sich ein und Sie haben kein Paradoxon mehr.

Warum glauben nicht mehr Physiker, dass die Schwerkraft klassisch ist?

Nun, es ist logischerweise möglich, eine Theorie zu haben, in der wir nicht alle Felder quantisieren. Aber damit eine klassische Gravitationstheorie mit allem anderen, was quantisiert wird, übereinstimmt, muss die Gravitation grundsätzlich zufällig sein. Für viele Physiker ist das inakzeptabel.

Warum?

Physiker verbringen viel Zeit damit, herauszufinden, wie die Natur funktioniert. Daher ist die Vorstellung, dass es auf einer sehr tiefen Ebene etwas von Natur aus Unvorhersehbares gibt, für viele beunruhigend.

Das Ergebnis von Messungen innerhalb der Quantentheorie scheint probabilistisch zu sein. Viele Physiker glauben jedoch lieber, dass das, was als Zufall erscheint, nur das Quantensystem und die Messapparatur sind, die mit der Umgebung interagieren. Sie betrachten es nicht als ein grundlegendes Merkmal der Realität.

Was schlagen Sie stattdessen vor?

Meine beste Vermutung ist, dass die nächste Gravitationstheorie weder vollständig klassisch noch vollständig quantenmechanisch sein wird, sondern etwas völlig anderes.

Physiker entwickeln immer nur Modelle, die der Natur nahe kommen. Aber als Versuch einer näheren Annäherung haben meine Studenten und ich eine völlig konsistente Theorie entwickelt, in der Quantensysteme und klassische Raumzeit interagieren. Wir mussten lediglich die Quantentheorie und die klassische allgemeine Relativitätstheorie leicht modifizieren, um die erforderliche Aufschlüsselung der Vorhersagbarkeit zu ermöglichen.

Warum haben Sie begonnen, an diesen hybriden Theorien zu arbeiten?

Mich hat das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs motiviert. Wenn man ein Quantenteilchen in ein Schwarzes Loch wirft und dieses dann verdampfen lässt, stößt man auf ein Paradoxon, wenn man glaubt, dass Schwarze Löcher Informationen bewahren. Die Standardquantentheorie verlangt, dass jedes Objekt, das man in das Schwarze Loch wirft, auf eine verwirrte, aber erkennbare Weise wieder herausgestrahlt wird. Aber das verstößt gegen die allgemeine Relativitätstheorie, die uns sagt, dass man nie etwas über Objekte wissen kann, die den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs durchqueren.

Aber wenn der Verdampfungsprozess des Schwarzen Lochs unbestimmt ist, dann gibt es kein Paradoxon. Wir erfahren nie, was in das Schwarze Loch geworfen wurde, weil die Vorhersehbarkeit nicht mehr gegeben ist. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist sicher.

Das Rauschen in diesen quantenklassischen Hybridtheorien führt also dazu, dass Informationen verloren gehen?

Genau. 

Aber Informationserhaltung ist ein Schlüsselprinzip der Quantenmechanik. Vielen Theoretikern fällt es nicht leicht, dies zu verlieren.

Das ist richtig. Darüber gab es in den letzten Jahrzehnten große Debatten, und fast alle kamen zu der Überzeugung, dass die Verdunstung Schwarzer Löcher deterministisch sei. Das verwirrt mich immer.

Werden Experimente jemals klären, ob die Schwerkraft quantisiert ist oder nicht?

Irgendwann. Wir wissen immer noch fast nichts über die Schwerkraft auf kleinsten Skalen. Es wurde noch nicht einmal im Millimeterbereich getestet, geschweige denn im Maßstab eines Protons. Aber es sind einige spannende Experimente online, die das bewirken werden.

Einer ist eine moderne Version des „Cavendish-Experiments“, das die Stärke der Anziehungskraft zwischen zwei Bleikugeln berechnet. Wenn es im Gravitationsfeld Zufälligkeit gibt, wie in diesen quantenklassischen Hybriden, dann werden wir bei dem Versuch, seine Stärke zu messen, nicht immer die gleiche Antwort erhalten. Das Gravitationsfeld wird hin und her wackeln. Jede Theorie, in der die Schwerkraft grundsätzlich klassisch ist, weist ein gewisses Maß an Gravitationsrauschen auf.

Woher wissen Sie, dass diese Zufälligkeit dem Gravitationsfeld innewohnt und nicht irgendein Rauschen aus der Umgebung?

Das tust du nicht. Die Schwerkraft ist eine so schwache Kraft, dass selbst die besten Experimente schon ziemlich durcheinander geraten. Man muss also all diese anderen Lärmquellen so weit wie möglich eliminieren. Spannend ist, dass meine Studenten und ich gezeigt haben, dass, wenn diese hybriden Theorien wahr sind, ein minimales Maß an Gravitationsrauschen vorhanden sein muss. Dies kann durch die Untersuchung von Goldatomen in einem Doppelspaltexperiment gemessen werden. Diese Experimente setzen bereits Grenzen dafür, ob die Schwerkraft grundsätzlich klassisch ist. Wir nähern uns allmählich dem zulässigen Maß an Unbestimmtheit.

Gibt es andererseits Experimente, die beweisen würden, dass die Schwerkraft quantisiert ist?

Es gibt vorgeschlagene Experimente die nach einer durch das Gravitationsfeld vermittelten Verschränkung suchen. Da es sich bei der Verschränkung um ein Quantenphänomen handelt, wäre dies ein direkter Test der Quantennatur der Schwerkraft. Diese Experimente sind sehr aufregend, aber wahrscheinlich noch Jahrzehnte entfernt.