Loop-Quantengravitation
Die Theorie der Loop-Quantengravitation, auch Loop-Theorie genannt, ist ein Ansatz für eine Theorie der Quantengravitation, d. h. eine Theorie zur Vereinigung der Quantenphysik mit der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Vereinigung ist eine der größten Herausforderungen der heutigen Physik. Dabei wird der Raum als dynamisches quantenmechanisches Spin-Netzwerk beschrieben, das durch Diagramme aus Linien und Knoten dargestellt werden kann. Eine Konsequenz aus dieser Theorie ist die Quantisierung von Raum und Zeit im Bereich der Planck-Länge (10-33 cm) bzw. Planck-Zeit (10-43 s). Der Zeitfluss ist eine Folge ständiger Strukturveränderungen dieses Spin-Netzwerks.Die Theorie der Loop-Quantengravitation ist die am weitesten entwickelte Alternative zur String-Theorie. Bereits Anfang der 1970er Jahre schlug Roger Penrose Spin-Netzwerke für eine Theorie der Quantengravitation vor, seine Idee wurde Anfang der 1990er Jahre wieder aufgegriffen und erfolgreich weiterentwickelt.
Table of contents |
2 Ausgangspunkte der Theorie 3 Erfolge der Theorie 4 Überprüfbare Vorhersagen der Theorie 5 Offene Fragen der Theorie 6 Literatur |
Im Rahmen der Loop-Quantengravitation ist der Raum nicht teilnahmsloser Behälter für das in ihn eingebettete Geschehen sondern selbst ein dynamisches Objekt, das den Gesetzen der Quantenmechanik gehorcht. Ein Quantenzustand des Raumes wird dabei durch ein Netzwerk von Knoten beschrieben, die mit Linien verbunden sind. Den Knoten werden bestimmte Eigenschaften zugeordnet, die mathematisch denen des Spins von Elementarteilchen ähneln. Jedem Knoten lässt sich in gewissem Sinne ein Elementarvolumen zuordnen. Die Knotenabstände entsprechen der Planck-Länge. Damit enthält ein Kubikzentimeter 1099 Knoten. Zum Vergleich sei erwähnt, dass das sichtbare Universum dagegen lediglich 1085 Kubikzentimeter enthält.
Man beachte, dass man sich dieses Netzwerk nicht in den Raum eingebettet vorstellen sollte. Ein Raum als Behälter für das Netz existiert nicht. Das Netz selbst ist der Raum. Zwischen den Netzknoten befindet sich ebenso wenig Raum wie sich im Zwischenraum zwischen den Sandkörnern einer Düne Sand befindet.
Elementarteilchen entsprechen Netzknoten mit bestimmten Eigenschaften. Die Bewegung von Teilchen entspricht dabei einer Verschiebung entsprechender Knotentypen im Netz.
Durch das Hinzufügen der Zeit als der vierten Dimension werden aus den Knoten Linien in der Raumzeit, und aus den Linien, die die Knoten verbinden, werden Flächen. Man spricht daher von einem Spin-Schaum der Raumzeit. Dem Fortschreiten der Zeit entsprechen fortlaufend strukturelle Veränderungen im Netz wie die Vereinigung von Knoten oder die Entstehung mehrerer Knoten aus einem einzigen. Ebenso wie beim Raum sind diese Veränderungen im Netz nicht eingebettet in eine Zeit, sondern sie stellen den Zeitfluss selbst dar. Im Bild des Spin-Schaumes bedeutet das, dass die Schaumflächenstücke nicht in Richtung der Zeitachse beliebig ausgedehnt sind, sondern wie bei einem Schaum üblich in alle Richtungen etwa gleich groß sind und an den Berührungskanten mit ihren Nachbarn enden.
Diese Spin-Netze, auch Graphen genannt, sind gewissen strukturellen Regeln unterworfen und entsprechen einer Art Kurzschrift im Rahmen des zugehörigen mathematischen Formalismus. Sie haben damit zwar eine gewisse oberflächliche Ähnlichkeit mit den Feynman-Diagrammen, mit denen die Wechselwirkungen zwischen Teilchen beschrieben werden, sie sind jedoch strukturell grundsätzlich völlig verschieden. Die Bezeichnung Loop-Theorie folgt aus dem Umstand, dass in dieser Theorie schleifenförmige Strukturen in der Raumzeit eine wichtige Rolle spielen.
Ausgangspunkt der Loop-Quantengravitation sind zwei Grundprinzipien der allgemeinen Relativitätstheorie:
Die Loop-Quantengravitation ist in der Lage, einige bereits bekannte bzw. vermutete Phänomene korrekt zu beschreiben:
Der derzeitige Stand der Loop-Quantengravitation lässt eine Reihe von wichtigen Fragen offen:
Lee Smolin: "Quanten der Raumzeit", Spektrum der Wissenschaft, 3, 2004, S. 54-63.
Beschreibung der Theorie
Ausgangspunkte der Theorie
Der Formalismus der Loop-Quantengravitation wurde über eine Kombination dieser beiden Prinzipien mit Grundkonzepten der bekannten Quantenphysik entwickelt und kommt dabei mit vergleichsweise wenigen grundsätzlich neuen Annahmen aus.Erfolge der Theorie
Überprüfbare Vorhersagen der Theorie
Offene Fragen der Theorie
Literatur