Mittwoch, 10. Juli 2013

Raum-Zeit wirkt nicht immer gleich


Grafische Darstellung des Konzepts von unserer Welt, der Raum-Zeit und der Quantengravitation.
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Warschau (Polen) - Vor der Entstehung des Universums gab es weder Raum noch Zeit. Wie konnte also die Struktur des Weltraums, die sogenannte Raum-Zeit, aus einem früheren Zustand heraus überhaupt entstehen. Polnische Forscher beschäftigen sich schon seit Jahren mit dieser Frage und präsentieren nun das erstaunliche Ergebnis ihrer theoretischen Analysen: Nicht alle Elementarteilchen unterliegen dem Einfluss der gleichen Raum-Zeit.

Kurz nach dem Urknall, so zumindest die Grundlage der Theorien, war das Universum noch derart verdichtet und heiß, dass die Gravitation extrem stark auf die Elementarteilchen einwirkte. Bereits seit Jahrzehnten sind Wissenschaftler darum bemüht, die Gesetze dieser "Quantengravitation" zu ergründen, in dem sie genau diese Phase in der Evolution des Universums versuchen zu beschreiben.


Wie das Team um Jerzy Lewandowski und Andrea Dapor von der Universität Warschau auf der "20th International Conference on General Relativity and Gravitation" (GR20) berichteten, zeigen ihre Analysen, dass unterschiedliche Elementarteilchen unterschiedlichen Raum-Zeiten ausgesetzt sind.


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Ein Versuch die Quantengravitation zu beschreiben geht davon aus, dass die Struktur Raum-Zeit einem Gewebe aus einer großen Anzahl kleinster Fasern gleicht (loop quantum gravity: LQG), die durch Schlaufen miteinander verbunden sind. Ein Feld mit einer Fläche von einem Quadratzentimeter könnte laut diesem Modell 10 hoch 66 (Einemillion-trillion-trillion-trillion-trillion-trillionen) solcher Fasern beinhalten.


Vor drei Jahren entwickelte das Team um Professor Lewandowski ein mathematisches Modell dieser LQG, das die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie verbindet. Dieses Modell geht von zwei interagierenden Feldern aus: Zum einen ein Gravitationsfeld, das mit einem Raum gleichgesetzt werden kann, und zum anderen mit einem (Skalar)-Feld, dass jedem Punkt im Raum eine Zahl zuschreibt. Dieses Feld wird als einfachste Form von Materie beschrieben.


Allerdings unterscheidet sich dieses Quanten-Realitätsmodell in seinen Eigenschaften extrem von jener Realität, die wir tagtäglich selbst erleben: "Somit stellt sich natürlich ganz von alleine die Frage, wie die Raum-Zeit, die wir jeden Tag erfahren, aus solchen ersten Quantengravitationszuständen entstanden sein kann. Da die Raum-Zeit anhand dieser Vorgabe aber als das Ergebnis der Interaktionen zwischen Materie und der Quantengravitation entstanden wäre, stellt sich zudem die Frage, ob wir uns sicher sein können, dass auch jede Form von Materie immer mit der gleichen Raum-Zeit interagiert?"


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Um diese Frage zu beantworten, skizzierten die Wissenschaftler zunächst Muster der Interaktionen zwischen Quantengravitation und Materie für die beiden mathematisch einfachsten Fälle: Elementarteilchen mit und ohne Masse. Das Ergebnis: Während sich die Raum-Zeit auf Teilchen ohne Masse, beispielsweise Photonen (Lichtteilchen), in alle Richtungen stets gleich auswirkt, ist dies bei Partikeln mit Masse anders, da die Existenz von Masse einen speziellen zusätzlichen Zustand in die theoretischen Gleichungen einbringt. "Teilchen mit Masse erfahren nicht nur unterschiedliche Raum-Zeiten als Photonen, sondern nehmen abhängig von ihrer Bewegungsrichtung sozusagen auch jeweils ihre eigene Version von Raum-Zeit wahr. Diese Schlussfolgerung war auch für uns eine große Überraschung", so Dapor.

Eine Antwort auf die sich angesichts dieser Schlussfolgerung aufdrängende Frage, ob Teilchen mit Masse also nicht (wie bislang angenommen) unabhängig von ihrer Bewegungsrichtung sind, könnte von großer experimenteller wie beobachtungsbasierter Forschung sein. Schließlich würde dies bedeuten, dass das Universum doch einer bevorzugten Richtung folgt.


Schlussendlich, so sind sich zumindest die polnischen Forscher sicher, sei es jedoch für den Beobachter und damit uns selbst gleich, welche Raum-Zeit ein Teilchen "wahrnehme", da sich - das zeigt die tägliche Erfahrung, Beobachtungen und Messungen - ganz gleich in welche Richtung es sich bewegt, seine Eigenschaften und somit Wirkungen auf "unsere Welt" (also die Welt außerhalb der Teilchen) nicht verändert.


Es ist zu erwarten, dass diese Deutung der Bedeutungslosigkeit der Frage, welche Raum-Zeit Elementarteilchen erfahren, noch für einige kontroverse Diskussionen führen wird - gerade auch für grenzwissenschaftliche und anomalistische Fragestellungen...


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