Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

In Quantenschritten zum Urknall

02.09.2013
Ein neuer Ansatz zur Vereinigung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenphysik

Was im Urknall geschah, lässt sich mit der heutigen Physik nicht beschreiben. Quantentheorie und Relativitätstheorie versagen in diesem nahezu unendlich dichten und heißen Anfangszustand des Universums.


In einigen modernen Theorien der Quantengravitation, die die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu vereinigen versuchen, besteht der Raum aus winzigen Elementarzellen oder „Atomen des Raumes“. Die Quantengravitation soll es ermöglichen, die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute mit einer Theorie zu beschreiben.

© T. Thiemann (FAU Erlangen), Albert-Einstein-Institut, Milde Marketing Wissenschaftskommunikation, exozet effects

Erst eine übergeordnete Theorie der Quantengravitation, welche diese beiden Grundpfeiler der Physik vereinigt, könnte Aufschlüsse über den Beginn der Welt bringen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Golm/Potsdam und vom Perimeter-Institut in Kanada haben auf diesem Weg eine wichtige Entdeckung gemacht.

Nach ihrer Theorie besteht der Raum aus winzigen Bausteinen. Von dieser Grundlage ausgehend gelangen sie zu einer der grundlegendsten Gleichungen der Kosmologie, der Friedmann-Gleichung, die das Universum beschreibt. Dies zeigt, dass Quantenmechanik und Relativitätstheorie tatsächlich miteinander vereinbar sind.

Seit nahezu einem Jahrhundert stehen die beiden großen Theorien der Physik unvereinbar nebeneinander: Während Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die Schwerkraft und damit die Welt im Großen beschreibt, lässt sich mit der Quantenphysik die Welt der Atome und Elementarteilchen erklären. Beide Theorien funktionieren in ihrem Rahmen außerordentlich gut, doch so, wie sie heute formuliert werden, versagen sie in bestimmten Extrembereichen, zum Beispiel auf winzigsten Distanzen, der sogenannten Planck-Skala. So verlieren Raum und Zeit in Schwarzen Löchern und vor allem auch im Urknall ihre Gültigkeit.

Daniele Oriti vom Albert-Einstein-Institut veranschaulicht diese Situation mit einer Flüssigkeit: „Das Verhalten von strömendem Wasser können wir mit der lange bekannten, klassischen Theorie der Hydrodynamik beschreiben. Aber wenn wir zu immer kleineren Skalen vordringen und schließlich auf einzelne Atome stoßen, ist sie nicht mehr anwendbar. Dann benötigen wir die Quantenphysik.“ So wie eine Flüssigkeit aus Atomen besteht, stellt sich Oriti den Raum aus winzigen Zellen oder Atomen des Raumes“ aufgebaut vor, für deren Beschreibung eine neue Theorie nötig ist: die Quantengravitation.

Der kontinuierliche Raum wird in Elementarzellen zerlegt

In Einsteins Relativitätstheorie ist der Raum ein Kontinuum. Oriti zerlegt ihn nun in winzige Elementarzellen oder Quanten. Er wendet somit die Prinzipien der Quantenphysik auf den Raum und auf die ihn beschreibende Relativitätstheorie an. Das ist der Vereinigungsgedanke.

Ein wesentliches Problem aller Ansätze für eine Quantengravitation besteht darin, die gewaltige Größenskala von den Raum-Atomen zu den Ausmaßen des Universums zu überbrücken. Dies ist Oriti und seinem Kollegen Lorenzo Sindoni sowie dem ehemaligen Postdoc am Albert-Einstein-Institut Steffen Gielen, der jetzt am Perimeter-Institut in Kanada forscht, gelungen. Ihr Ansatz basiert auf der sogenannten Gruppenfeld-Theorie. Diese ist eng mit der Schleifen-Quantengravitation verbunden, die schon seit längerem am Albert-Einstein-Institut entwickelt wird. Die Aufgabe bestand nun darin zu beschreiben, wie sich aus den Elementarzellen der Raum des Universums entwickelt. Um im Bild der Flüssigkeit zu bleiben: Wie lässt sich aus einer Theorie für die Atome die Hydrodynamik für das strömende Wasser herleiten?

Diese mathematisch höchst anspruchsvolle Aufgabe führte jüngst zu einem überraschenden Erfolg. „Unter speziellen Annahmen entsteht der Raum aus diesen Bausteinen, und er entwickelt sich wie ein expandierendes Universum“, erklärt Oriti. „Dabei konnten wir direkt im Rahmen unserer vollständigen Theorie über den Aufbau des Raumes die Friedmann-Gleichung ableiten“, ergänzt er. Diese fundamentale Gleichung, die das expandierende Universum beschreibt, hatte der russische Mathematiker Alexander Friedmann in den 1920er Jahren auf der Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie hergeleitet. Damit ist der Brückenschlag von der Mikro- zur Makrowelt und damit von der Quantenmechanik zur Relativitätstheorie gelungen: Die Wissenschaftler zeigen, dass aus dem Kondensat dieser Elementarzellen der Raum entsteht und sich zu einem Universum entwickelt, das unserem ähnelt.

Die Quantengravitation könnte jetzt offene Fragen zum Urknall klären

Oriti und seine Kollegen sehen sich damit erst am Beginn eines steinigen, aber hoffnungsvollen Weges. Ihre bisherige Lösung gilt nur für ein homogenes Universum. Unsere reale Welt ist aber wesentlich komplizierter. Sie enthält Inhomogenitäten, wie Planeten, Sterne und Galaxien. Derzeit sind die Physiker dabei, diese in ihre Theorie mit einzubeziehen.

Als Fernziel haben sich Oriti und Kollegen wahrlich Großes vorgenommen. Zum einen wollen sie untersuchen, ob sich der Raum sogar im Urknall beschreiben lässt. Vor einigen Jahren fand Martin Bojowald, ein ehemaliger Forscher des Albert-Einstein-Instituts im Rahmen einer vereinfachten Version der Schleifen-Quantengravitation Hinweise darauf, dass sich Zeit und Raum eventuell durch den Urknall hindurch zurückverfolgen lassen. Oriti und Kollegen hoffen, dieses Ergebnis mit ihrer Theorie bestätigen oder verbessern zu können.

Sollte sich diese weiterhin bewähren, so könnten die Forscher damit vielleicht auch die vermutete inflationäre Expansion des Universums kurz nach dem Urknall und die Natur der mysteriösen Dunklen Energie erklären. Dieses Energiefeld sorgt dafür, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Oritis Kollege Lorenzo Sindoni ergänzt deshalb: „Nur mit Hilfe einer Theorie der Quantengravitation werden wir die Entwicklung des Universums tatsächlich verstehen können.“ Damit befinden sich die AEI-Forscher in bester Gesellschaft: von Einstein und seinen Nachfahren, die seit nahezu hundert Jahren danach suchen.

Ansprechpartner

Dr. Daniele Oriti
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-7375
E-Mail: daniele.oriti@­aei.mpg.de
Dr. Lorenzo Sindoni
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-7348
E-Mail: lorenzo.sindoni@­aei.mpg.de
Dr. Elke Müller
Pressesprecherin
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-7303
E-Mail: elke.mueller@­aei.mpg.de
Originalpublikation
Steffen Gielen, Daniele Oriti, Lorenzo Sindoni
Cosmology from Group Field Theory Formalism for Quantum Gravity
Physicak Review Letters, 16 July 2013

Dr. Daniele Oriti | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/7513652/quantengravitation_urknall

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise