Die Quantengravitation ist ein Oberbegriff für Theorien, die versuchen, die Gravitation mit der anderen zu vereinen Grundkräfte der Physik (die bereits zusammen vereint sind). Es setzt im Allgemeinen eine theoretische Einheit voraus, ein Graviton, das ein virtuelles Teilchen ist, das die Gravitationskraft vermittelt. Dies ist es, was die Quantengravitation von bestimmten anderen einheitlichen Feldtheorien unterscheidet - obwohl in Fairness, einige Theorien, die typischerweise als Quantengravitation klassifiziert werden, erfordern nicht unbedingt eine Graviton.
Was ist ein Graviton?
Das Standardmodell der Quantenmechanik (entwickelt zwischen 1970 und 1973) postuliert die anderen drei Grundkräfte der Physik werden durch virtuelle Bosonen vermittelt. Photonen vermitteln die elektromagnetische Kraft, W- und Z-Bosonen vermitteln die schwache Kernkraft und Gluonen (wie z Quarks) vermitteln die starke Atomkraft.
Das Graviton würde daher die Gravitationskraft vermitteln. Wenn es gefunden wird, wird erwartet, dass das Graviton masselos ist (weil es auf große Entfernungen sofort wirkt) und Spin 2 hat (weil die Schwerkraft ein Tensorfeld zweiten Ranges ist).
Ist die Quantengravitation bewiesen?
Das Hauptproblem beim experimentellen Testen einer Theorie der Quantengravitation besteht darin, dass die zur Beobachtung der Vermutungen erforderlichen Energieniveaus in aktuellen Laborexperimenten nicht erreichbar sind.
Selbst theoretisch stößt die Quantengravitation auf ernsthafte Probleme. Die Gravitation wird derzeit durch die erklärt Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie, die auf makroskopischer Ebene ganz andere Annahmen über das Universum macht als die quantenmechanische auf mikroskopischer Ebene.
Versuche, sie zu kombinieren, stoßen im Allgemeinen auf das "Renormierungsproblem", bei dem sich die Summe aller Kräfte nicht aufhebt und zu einem unendlichen Wert führt. In der Quantenelektrodynamik geschah dies gelegentlich, aber man konnte die Mathematik renormieren, um diese Probleme zu beseitigen. Eine solche Renormierung funktioniert bei einer Quanteninterpretation der Schwerkraft nicht.
Die Annahmen der Quantengravitation sind im Allgemeinen, dass sich eine solche Theorie als einfach und elegant erweisen wird, so dass viele Physiker versuchen zu arbeiten rückwärts, eine Theorie vorherzusagen, von der sie glauben, dass sie die in der gegenwärtigen Physik beobachteten Symmetrien erklären könnte, und dann zu sehen, ob diese Theorien funktionieren.
Einige einheitliche Feldtheorien, die als Quantengravitationstheorien klassifiziert sind, umfassen:
- Stringtheorie / Superstringtheorie / M-Theorie
- Supergravitation
- Schleifenquantengravitation
- Twistortheorie
- Nicht kommutative Geometrie
- Euklidische Quantengravitation
- Wheeler-deWitt-Gleichung
Natürlich ist es durchaus möglich, dass die Quantengravitation weder einfach noch elegant ist, wenn sie existiert. In diesem Fall werden diese Versuche mit fehlerhaften Annahmen angegangen und wären es wahrscheinlich ungenau. Nur Zeit und Experimente werden es sicher zeigen.
Wie einige der obigen Theorien vorhersagen, ist es auch möglich, dass ein Verständnis der Quantengravitation dies nicht tut konsolidieren lediglich die Theorien, sondern führen ein grundlegend neues Verständnis von Raum und Raum ein Zeit.
Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.