Quantenuniversum

Die Quantenmechanik hat uns gezeigt, dass Licht aus Photonen besteht und Energie in kleinen Paketen übertragen wird. In der Erweiterung dieser Vorstellung könnte man auch für andere Skalen äquivalente Elementareinheiten festlegen. Man errechnet diese so genannten Planck-Größen indem man das Planksche Wirkungsquantum mit anderen elementaren Einheiten - wie z.B. der Lichtgeschwindigkeit - verknüpft.

So erhält man eine Planck-Masse von 2,2 x 10-8 kg, Planck-Länge von 1.6 x 10-35 cm, die Planck-Zeit von 5.4 x 10-44 s und die Planck-Temperatur von 1.4 x 10-32 K. Ein großes Problem ist es jedoch Instrumente zu entwickeln, die so empfindlich sind, um in diese Domänen vordringen zu können.

Lediglich, was die Zeit angeht, könnten Versuche von Erfolg gekrönt sein, da sich die Frequenz von Licht sehr genau messen lässt, wenn ein Photon durch quantisierte Zeit beeinflusst wird, kann das Auswirkungen auf seine Geschwindigkeit haben und die müssten in empfindlichen Interferonmetern nachweisbar sein.

Tatsächlich hätte eine gequantelte Zeit zur Folge, dass sich die Lichtgeschwindigkeit im Bereich der Planck-Zeit nicht mehr genau messen lässt. Es könnte dann winzige Abweichungen von der Lichtgeschwindigkeit geben, die wir aber nicht messen können.

Diese Unsicherheit in der Zeit-Domäne hätte schwerwiegende Folgen für unser Verständnis der Welt, denn sie könnte Zeitreisen erlauben. Das gilt nicht generell, aber einige Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie würden geschlossene Zeitschleifen zulassen, auf denen man zum selben Ort und Zeit zurückkehren könnte.

Wenn die Zeitschleifen geschlossen sind, haben sie keine Auswirkungen auf die nachfolgende Raumzeit - d.h., wir könnten zurückreisen, unseren Großvater mit einer anderen Frau verkoppeln und hätten dann das Problem, das wir das immer wieder machen müssten, weil wir aus der Zeitschleife nicht ausbrechen können. Aber für eine echte Zeitreise müsste sehr viel Raumzeit gekrümmt werden, was praktisch sehr schwierig wäre. Für die Frage, was vor dem Urknall war, wäre das aber ein leichter Ausweg, es war das Universum, das sich immer wiederholt.

Um experimentell nachzuweisen, dass die Zeit quantisiert ist muss man sich das Licht ferner Sterne ansehen und versuchen festzustellen, ob es Unterschiede in der Lichtgeschwindigkeit gibt. Die Astronomen Richard Lieu und Lloyd Hillman an der Universität von Alabama haben sich deshalb Aufnahmen des Hubble-Teleskops angesehen, um Hinweise zu finden.

Wenn das Licht in Phase - d.h. mit gleicher Wellenlänge und Geschwindigkeit - auf den Spiegel trifft, kommt es im optischen Aufbau des Teleskops zu Interferenzen, die um jeden Lichtpunkt helle und dunkle Ringe bilden - so genannte Airy-Scheiben. Sollte die Phase allerdings durch die Quantenzeit nur ein wenig verschoben sein - und bei der großen Entfernung gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Effekte summieren sollten - dann dürften keine Airy-Scheiben zu beobachten sein, weil es nicht zur Interferenz kommt.

Aber wie auch bei der Quantengravitation war das Ergebnis negativ. Die Bilder zeigten die hellen und dunklen Ringe um ferne Galaxien, woraus man schlussfolgern kann, dass die Zeit nicht quantisiert ist.

Das die Zeit kontinuierlich verläuft stellt tatsächlich ein Problem für die Astrophysik dar, denn sie führt auch dazu, dass man zum Zeitpunkt des Urknalls unendlich hohe Dichten und Temperaturen annehmen muss. Das kann nur vermieden werden, wenn man davon ausgeht, dass es sich um ein Quantenereignis gehandelt hat, in dem die Anfangsbedingungen nicht eindeutig festgelegt waren.

Vielleicht lässt sich die Quantelung des Universums aber an anderer Stelle nachweisen.

Betrachtet man die Elektromagnetischen Kräfte, die von Photonen übertragen werden und vergleicht sie mit der Starken und Schwachen Kernkraft, die von Gluonen bzw. W- und Z-Bosonen übertragen werden, dann könnte man daraus schließen, dass diese ebenfalls gequantelt sind.

Laut Einstein wird die Gravitation durch die Krümmung des Raums hervorgerufen, sodass eigentlich keine Teilchen dafür nötig wären.

Auf der anderen Seite beginnen Wissenschaftler gerade Gravitationswellen zu untersuchen, die sich im Universum ausbreiten und es wird auch diskutiert, dass diese Wechselwirkung durch bisher unentdeckte Teilchen, die Gravitonen übertragen wird. Wir wissen ja schon, dass Wellen und Teilchen nicht unbedingt ein Widerspruch sein müssen. Die Gravitation könnte also, obwohl sie sich wie eine Welle im Raum ausbreitet, gleichzeitig auch Teilchencharakter haben - genau wie das Licht.

Diese Quantengravitation, so wird vermutet, könnte die lange gesuchte Verbindung zwischen allgemeiner Relativität und Quantenmechanik sein. Deshalb plant die NASA 2005 mit dem Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST) ein neues Gammastrahlen-Teleskop in den Weltraum zu schicken. Die Idee dahinter ist, dass die Quantengravitation dafür sorgen könnte das Energiereiche Photonen der Gammastrahlenausbrüche sich etwas langsamer bewegen als solche niedriger Energie.

Das wird erwartet, weil ein energiereiches Photon, das an einem Graviton vorbeifliegt von diesem stärker abgelenkt wird und deshalb langsamer fliegt - der Relativitätstheorie widerspricht das nicht, weil sich Photonen nur im absoluten Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Dieses Experiment ist nicht identisch zum Nachweis der Airy-Scheiben für die Zeitquantelung, denn es geht hier nicht um die Interferenz von Licht mit gleicher Wellenlänge, sondern um unterschiedliche Geschwindigkeiten bei unterschiedlichen Frequenzen.

Dr. Bradley Schaefer an der Universität von Texas konnte diesen Effekt bei seinen Experimenten nicht nachweisen, aber das könnte daran liegen, dass die Energie der Photonen noch nicht ausreichend war, deshalb ist man gespannt auf die Ergebnisse des GLAST-Experiments. Allerdings könnte die Verteilung des Spektrums auch an der Dynamik des Gammastrahlenausbruchs selbst liegen, da seine Vorgänge noch nicht gut verstanden sind, würde die Theorie der Quantengravitation allein mit diesen Hinweisen weiterhin auf sehr wackeligen Füßen stehen.

Zurzeit sieht es so aus, als ob man sich vorerst vom Konzept der quantisierten Raum-Zeit verabschieden müsste, aber vielleicht wirkt sich die Quantelung ja auch nicht so direkt auf die Lichtgeschwindigkeit aus - es könnte ja auch sein, dass sich die Effekte auf langen Strecken wieder aufheben - oder die Experimente sind einfach noch nicht empfindlich genug für ihren Nachweis.


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