Schwarze Löcher, diese extremen kosmischen Objekte, könnten die fehlenden Hinweise enthalten, um eines der größten Rätsel der Physik zu lösen: die Vereinigung der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik.
(Links) das relativ ruhige Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße
(Rechts) das turbulente supermassereiche Schwarze Loch von M87
Quelle: EHT Collaboration
Seit über einem Jahrhundert beschreibt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie brillant die Gravitation im großen Maßstab. Doch sie bleibt unvereinbar mit der Quantenmechanik, die die Phänomene auf Teilchenebene regiert. Dieser Konflikt wird unvermeidlich, wenn man verstehen will, was im Herzen Schwarzer Löcher geschieht, wo diese beiden theoretischen Rahmen koexistieren müssen.
Schwarze Löcher, die direkt aus Einsteins Gleichungen hervorgehen, bilden ein natürliches Labor, um die Grenzen unseres Wissens zu testen. Ihr Zentrum beherbergt eine Singularität, eine Zone unendlicher Dichte, wo die bekannten Gesetze versagen. Diese Singularität deutet darauf hin, dass die Allgemeine Relativitätstheorie unvollständig ist und eine Theorie der Quantengravität nötig ist, um weiterzukommen.
Vor diesem Problem hat der Physiker Xavier Calmet (Universität Sussex) mit seinen Kollegen einen neuen Ansatz vorgeschlagen. Durch die Integration quantenmechanischer Korrekturen in Einsteins Gleichungen erhielten sie neue Lösungen zur Beschreibung Schwarzer Löcher. Ihre Methode basiert nicht auf einer vollständigen Theorie, bietet aber einen ersten konkreten Schritt zu einer quantisierten Beschreibung der Gravitation.
Diese Lösungen sagen die Existenz von Schwarzen Löchern voraus, die sich leicht von denen der Allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden. Doch es ist derzeit sehr schwierig, sie mit unseren Beobachtungsmitteln zu unterscheiden, vor allem wegen ihrer großen Entfernung.
Ihre Arbeit, veröffentlicht in
A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics, eröffnet einen vielversprechenden Weg, die beiden großen Säulen der modernen Physik zu vereinen. Auch wenn Schwarze Löcher noch ihre Geheimnisse bewahren, könnten sie das Tor zu einer vereinheitlichten Theorie sein.
Was ist Quantengravität?
Quantengravität ist eine sich in Entwicklung befindliche Theorie, die die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereinen soll. Jede funktioniert in ihrem Bereich, aber sie sind unvereinbar, wenn man sie gemeinsam anwendet, zum Beispiel in Regionen mit extrem starker Gravitation auf winzigstem Raum.
Es gibt zahlreiche Kandidatentheorien wie die Stringtheorie oder die Schleifenquantengravität, aber keine konnte bisher experimentell bestätigt werden. Es geht darum, extreme Phänomene zu verstehen, wie sie in Schwarzen Löchern oder beim Urknall auftreten.
Warum sind Schwarze Löcher so wichtig für die Quantengravität?
Schwarze Löcher sind die einzigen bekannten Objekte, bei denen relativistische und quantenmechanische Effekte gleichzeitig dominant werden. Sie bieten ein einzigartiges Testfeld für Hypothesen zur Quantengravität.
Ihr theoretisches Zentrum – die Singularität – stellt ein Versagen der Relativitätstheorie dar. Die Integration quantenmechanischer Effekte könnte diese Singularität vielleicht vermeiden und ein besseres Verständnis der inneren Struktur der Raumzeit ermöglichen.
Dank Instrumenten wie dem Event Horizon Telescope wird es möglich, subtile Effekte um Schwarze Löcher zu beobachten. Diese Daten könnten eines Tages zwischen den Vorhersagen der klassischen Relativitätstheorie und denen einer Quantengravität unterscheiden.
Quelle: A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics