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Quantenkosmologie: Grenzen von Raum und Zeit

Sowohl bei Schwarzen Löchern als auch beim Universum als Ganzes gibt es Regionen, in die wir nicht blicken können. Mathematische Ähnlichkeiten zwischen diesen Strukturen könnten helfen, beide besser zu verstehen.
Ein Schwarzes Loch im Weltall

Woher kommt das Universum? Und wie entwickelt es sich in Zukunft weiter? Die Suche nach Antworten auf diese grundsätzlichen Fragen führt uns auf zwei sehr unterschiedliche Skalen: einerseits kosmische Größenordnungen, andererseits die Quantenebene, also die Welt der Atome und Atomkerne.

Für viele Dinge im Weltraum reicht die klassische Kosmologie aus. Sie wird von der Gravitation dominiert und gehorcht den von Einstein aufgestellten Regeln der allgemeinen Relativitätstheorie. Das Reich der Quanten spielt hier keine Rolle. Aber bei manchen Aspekten des Universums ist die Physik der kleinen Skalen nicht vernachlässigbar. In den ersten Augenblicken seiner Entstehung war das Weltall zum Beispiel nicht größer als ein Atom. Diese Epoche lässt sich nur mit einer Quantentheorie der Schwerkraft verstehen, mit der man alle Aspekte der Realität beschreiben könnte – sowohl das um ein Atom kreisende Elektron als auch die Bewegung der Erde um die Sonne. Die Entwicklung so einer Theorie ist das Ziel der Quantenkosmologie.

Die Quantenkosmologie ist nichts für schwache Nerven. Sie ist der Wilde Westen der theoretischen Physik und hat schon viele ehrgeizige Menschen angelockt und enttäuscht. Doch dieses Mal scheint es anders zu sein. 2019 haben Durchbrüche beim Verständnis Schwarzer Löcher – Systeme, bei denen Quantenmechanik und Schwerkraft gleichermaßen wichtig werden – bei der Suche nach Antworten geholfen. Den frisch gefassten Optimismus auf dem Feld habe ich beim Besuch einer virtuellen Konferenz spüren können. Bei einer Diskussionsrunde hatte ich nur mit spärlichem Besuch gerechnet, stattdessen waren bei der Veranstaltung viele der Koryphäen auf dem Gebiet anwesend und strotzten nur so vor Ideen und Motivation.

Es gibt durchaus Anhaltspunkte für einen Zusammenhang zwischen Schwarzen Löchern und unserem Universum als Ganzes. Beide besitzen »Ereignishorizonte«. Das sind Grenzen, jenseits derer beispielsweise zwei dadurch getrennte Menschen jede Möglichkeit verlieren, miteinander zu kommunizieren …

Kennen Sie schon …

Spektrum der Wissenschaft – Eine neue Weltformel

Rund 100 Jahre währt die Suche der theoretischen Physik nach einer Quantentheorie der Schwerkraft. Doch vielleicht kann die Gravitation in einer Weltformel so bleiben, wie sie ist – zumindest fast. Experimente könnten die neue Theorie schon bald testen. Außerdem im Heft: Die Bedeutung der Böden der Erde wurden lange unterschätzt. Zahlreiche Organismen im Boden zersetzen abgestorbenes organisches Material und fördern so den globalen Kohlenstoffkreislauf. Gammastrahlenblitze mischen gelegentlich die irdische Ionosphäre durch. Aber brachten kosmische Explosionen das Leben auf der Erde schon einmal an den Rand der Existenz? Selbst unter dem Eis des arktischen Ozeans findet man Lava speiende Vulkane und Schwarze Raucher. Dies bietet einen neuen Blick auf die geologischen Vorgänge in unserem Planeten.

Spektrum - Die Woche – Jung, alternativ, rechts

Die diesjährigen Europawahlen haben gezeigt: Junge Menschen wählen vermehrt rechtspopulistische Parteien. Wieso sind diese Parteien für junge Wähler attraktiv? Mit dieser Frage beschäftigen wir uns in der aktuellen »Woche«. Außerdem: Ist das Konzept der Zeit eine Illusion der Quantenphysik?

Spektrum Kompakt – Schwarze Löcher

Schwarze Löcher gehören längst nicht mehr in die Nische aberwitziger Theorien, sondern haben sich im Alltag der Astrophysik etabliert. Viele Phänomene im Weltall lassen sich nur mit diesen extrem kompakten Raumzeitfallen erklären.

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  • Quellen

Chandrasekaran, V. et al.: An algebra of observables for de Sitter space. ArXiv 2206.10780, 2022

Chen, Y. et al.: Bra-ket wormholes in gravitationally prepared states. Journal of High Energy Physics 2021, 2021

Hartman, T. et al.: Islands in cosmology. Journal of High Energy Physics 2020, 2020

Levine, A., Shaghoulian, E.: Encoding beyond cosmological horizons in de Sitter JT gravity. ArXiv 2204.08503, 2022

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