Werden wir jemals die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinen?

Die Fragen, die im Laufe des Tages auftauchen, sind meistens solche, die wir alle ziemlich sicher beantworten können. Hast du zu Mittag gegessen? Hast du den neuen Song von Taylor Swift gehört? Ist es ein Beichtstuhl über einen Jungen, mit dem sie einmal ausgegangen ist?

Aber wenn wir beginnen, über die großen Fragen nachzudenken – die, die wir heute angehen, fragt, ob Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie jemals in Einklang gebracht werden können –, sinkt unser Selbstvertrauen. Hat die Quantenmechanik nicht etwas mit Planeten zu tun? Ist die allgemeine Relativitätstheorie diejenige mit Energie gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat? Warte, war das Masse oder Bewegung? Oder Minuten. Es sind Minuten, nicht wahr?

Keine Angst. Obwohl diese Frage äußerst schwer zu beantworten ist, ist die Frage selbst so einfach wie die Entschlüsselung der Texte eines Popstars. Bevor wir mit der Lösung des unlösbaren Universums beginnen, lassen Sie uns die Komponenten aufschlüsseln.

Wenden wir uns zunächst der Quantenmechanik zu. Und es ist ein guter Anfang, weil es das Studium von etwas extrem Kleinem ist – Materie und Strahlung auf atomarer und subatomarer Ebene. Erst als Wissenschaftler anfingen, Atome zu verstehen , brauchte die normale alte Physik eine kleine Änderung. Denn als Wissenschaftler Atome betrachteten, verhielten sie sich nicht wie der Rest des Universums . Zum Beispiel umkreisten Elektronen den Kern nicht wie ein Planet, der die Sonne umkreist – wenn ja, wären sie in den Kern geflogen [Quelle: Stedl ].

Es wurde deutlich, dass die klassische Physik es auf atomarer Ebene nicht schaffte. Die Quantenmechanik entstand also aus der Notwendigkeit zu verstehen, wie sich sehr kleine Phänomene anders verhalten als die großen Dinge in der Wissenschaft. Was wir entdeckten, war, dass so etwas wie ein Photon als Teilchen (das Masse und Energie trägt) und als Welle (die nur Energie trägt) fungieren kann. Das ist eine große Sache – es könnten zwei Dinge gleichzeitig sein. Und es bedeutet, dass die kleinsten Teile des Universums dramatisch fluktuieren, und dass man zu keinem Zeitpunkt den jeweiligen Ort kennen kann.

Jetzt verstehen wir also, dass die Quantenmechanik im Wesentlichen offengelegt hat, wie wir über das Universum denken (wenn es um die kleinsten Maßstäbe geht). Teilchen können zum Beispiel Wellen sein. Um den Spaß noch zu erhöhen, sagt uns die Unschärferelation der Quantenmechanik, dass wir nicht wirklich sagen können, wo sich ein Teilchen befindet oder wie schnell es sich gleichzeitig bewegt.

Einstein hatte es nicht. Die Vorstellung, dass wir nicht wirklich sagen können, wo sich ein Teilchen befindet oder was es tut, muss einen Physiker, der sich der Definition der Funktionsweise des Universums verschrieben hat, zutiefst beunruhigt haben – was Einstein mit der Allgemeinen Relativitätstheorie tat.

Jetzt erschrick nicht. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat zwei große Ideen: eine über Raum und Zeit, eine andere über die Schwerkraft. Wie Sie und ich es sehen, stehen Raum und Zeit im Hintergrund. Sie sind fest. Sie existieren chronologisch (und irgendwie monolithisch). In der Allgemeinen Relativitätstheorie sind Raum und Zeit eine einheitliche Dimension (bequemerweise Raumzeit genannt). Aber hier ist die Sache: Die Raumzeit mag groß und einheitlich sein, aber sie hängt nicht im Hintergrund herum. Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass die Raumzeit durch Materie beeinflusst werden kann. Das bedeutet, dass Sie – als existierende Materie – Raum und Zeit verändern.

Okay, nicht genau. Es sind tatsächlich wirklich große Dinge, die Raum-Zeit-Krümmungen verursachen. Die Sonne zum Beispiel krümmt die Raumzeit auf sie zu. Und was würde das bedeuten? Ah, das ist richtig: Kleinere Planeten würden in eine Umlaufbahn um ihn fallen.

Womit wir bei der Schwerkraft wären. Tatsächlich bestand die allgemeine Relativitätstheorie nicht nur darin, dass Einstein Newton auf die Schulter klopfte und sagte: "Ja, Sir, Schwerkraft ist eine Sache!" Stattdessen gab uns Einstein einen Grund für die Schwerkraft – dass die Krümmung der Raumzeit die Schwerkraft geschaffen und das Universum dazu gebracht hat, sich so zu verhalten, wie es es tat.

Also, was ist das Problem? Einstein zeigte uns eine überwältigende Art und Weise, wie das Universum funktioniert, und die Quantenmechanik zeigt uns eine faszinierende Art und Weise, wie Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene funktionieren. Leider erklärt das eine das andere nicht. Was bedeutet, dass es eine größere Theorie geben muss, die sie umfasst ... oder nicht?

Wir können nicht verstehen, wie die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie in Einklang gebracht werden konnten, ohne zuerst zu verstehen, wie sie es – im Moment – ​​nicht tun. Denn es stellt sich heraus, dass keines wirklich funktioniert, wenn das andere wahr ist.

Einstein sagte, dass die Raumzeit eine glatte Konstante ist und dass nur große Dinge sie verzerren können. Die Quantenmechanik sagte, dass die kleinsten Teile des Universums ständig dramatisch fluktuieren und sich verändern.

Wenn die Quantenmechanik korrekt ist und alles ständig in unscharfer Bewegung ist, würde die Schwerkraft nicht so funktionieren, wie Einstein es vorhergesagt hat. Die Raumzeit müsste auch ständig mit allem um sie herum im Widerspruch stehen und sich entsprechend verhalten. Außerdem sagte die Quantenmechanik, dass man keine festgelegte Ordnung mit Sicherheit angeben könne. Stattdessen mussten Sie sich damit zufrieden geben, Wahrscheinlichkeiten vorherzusagen.

Andererseits, wenn die Allgemeine Relativitätstheorie richtig ist, dann könnte Materie nicht so wild fluktuieren. Irgendwann wärst du in der Lage zu wissen, wo sich alle Materie befindet und wohin sie genau geht. Was wiederum im Widerspruch zur Quantenmechanik steht.

Aber seien Sie versichert, dass Wissenschaftler, Physiker und Sesselexperten gleichermaßen verzweifelt versuchen, einen Weg zu finden, die beiden miteinander in Einklang zu bringen. Ein Spitzenreiter ist die Stringtheorie, die besagt, dass ein Teilchen nicht als Punkt, sondern als String fungiert. Das bedeutet, dass es in der Lage wäre zu winken und sich zu bewegen und zu loopen und im Allgemeinen alle möglichen Dinge zu tun, die ein Punkt nicht könnte. Es könnte auch die Schwerkraft auf Quantenebene übertragen, und die Ausbreitung der Partikel an einer Schnur würde theoretisch eine weniger sprunghafte, weniger verrückte Atmosphäre erzeugen. Was die Theorie natürlich für die Zustimmung zur allgemeinen Relativitätstheorie öffnet. Aber denken Sie daran, dass die Stringtheorie noch nie durch ein Experiment bestätigt wurde – und es gibt viele Debatten darüber, ob sie überhaupt bewiesen werden kann.

Wenn ein solch monumentales Experiment stattfinden würde, würde es wahrscheinlich an einem Teilchenbeschleuniger stattfinden. Dort könnten wir Superpartner finden. (Nein, nicht Batman und Robin). Superpartner sind ein Teil der Stringtheorie, die besagt, dass jedes Teilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen hat, das instabil ist und sich unterschiedlich dreht (z. B. das Elektron und das Sellektron oder das Graviton und das Gravitino). Glücklicherweise fanden wir 2010 Hinweise auf unser erstes Higgs-Boson , als wir Teilchen im Large Hadron Collider zusammenschlugen , also könnten wir auf dem Weg sein, die Stringtheorie experimentell zu beweisen.

Der Spin könnte uns auch dabei helfen, mit Quantenverschränkung zu experimentieren , bei der Elektronen im Spin des jeweils anderen gefangen werden. Es ist in kleinen Räumen leicht zu sehen, aber Wissenschaftler arbeiten daran, Photonen in den Weltraum und zurück zu schicken, um zu messen, wie es über eine große Entfernung – und Krümmung – von Raum und Zeit funktioniert.

Aber wir könnten uns auch schwarze Löcher ansehen, um eine Theorie von allem (ein TOE!) zu finden. In einem Schwarzen Loch gibt es ein wirklich schweres Ding (einen Stern, auf den die allgemeine Relativitätstheorie zutrifft) und ein wirklich kleines Ding (das winzig kleine Fleckchen, in das er eingedrückt ist, was die Quantenmechanik erklärt). Wenn wir also bestimmen können, was passiert – oder was sich ändert – wenn das Große klein wird, könnten wir die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie in Einklang bringen.

Anmerkung des Autors: Werden wir jemals die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinen?

Manchmal wünschte ich, die Überschrift eines Artikels wäre nur ein Haftungsausschluss: „Hab keine Angst vor diesem Thema.“ Es ist eine Schande, dass diese großen Ideen – Einsteins Theorien, Quantenmechanik – den Ruf haben, außerhalb des Verständnisses der Öffentlichkeit zu liegen. Sicher, die Mathematik dahinter übersteigt die meisten von uns, aber man kann die Ideen auch ohne sie verstehen. In der Physik gibt es keine Drachen; Haben Sie keine Angst, herauszufinden, was Sie nicht wissen.

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