Relativitätstheorie Nachfolger verzweifelt gesucht

Für Physiker ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ein bewährtes Handwerkszeug. Doch es gibt Situationen, in denen sie an Grenzen stößt. Was sind mögliche Alternativen?

Grinsekatze: Gravitation bündelt Licht - so entsteht der Smiley im Weltall
NASA/ CXC/ UA/ J.Irwin et al/ STScI

Grinsekatze: Gravitation bündelt Licht - so entsteht der Smiley im Weltall


Im November haben Physiker auf der ganzen Welt das Jubiläum der Allgemeinen Relativitätstheorie gefeiert. Auch nach 100 Jahren haben ihre Prinzipien nichts von ihrem Charme und ihrer Eleganz verloren. In zahlreichen Messungen wurden die von ihr vorhergesagten Effekte bestätigt. Gravitationslinsen, große Massehaufen oder gar Galaxien, die das Licht ferner Objekte bündeln - oder einfach nur die einst unerklärlichen, kleinen Abweichungen bei Planetenbewegungen meistert der Ansatz Einsteins immer wieder.

Doch die Theorie wirkt in den letzten Jahrzehnten immer mehr wie ein einsamer Einzelkämpfer: Ihr Kernstück, die Gravitation, scheint sich noch immer der Zusammenführung in eine größere, übergreifende Theorie zu widersetzen. Ist Einsteins viel gefeiertes Gedankenspiel vielleicht doch in die Jahre gekommen? Und vor allem: Wie sehen die Alternativen oder besser gesagt ihre Nachfolger aus?

Einsteins Theorie funktioniert in kosmischen Dimensionen hervorragend. Sobald sie aber in sehr viel kleinerem Maßstab und in Extremfällen angewandt wird, liefert sie mitunter widersprüchliche Aussagen. Sie bläst gar Raum und Zeit zu einem schaumartigen, unvorhersehbaren Gebilde auf, in dem ihre Gesetze nur Unfug liefern.

Grenzen der Theorie

Im Fall von schwarzen Löchern sieht es noch düsterer aus: "Sie sagt quasi ihr eigenes Versagen voraus, und zwar in dem sie sogenannte Singularitäten beschreibt", erklärt Thomas Thiemann von der Universität Erlangen-Nürnberg. Singularitäten sind Punkte in der Raumzeit, an denen die Krümmung unendlich wird, weil die Massendichte unendlich ist. Unendliche Werte deuten laut Thiemann darauf hin, dass man den Gültigkeitsbereich einer Theorie überschritten hat. "Dann brauchen wir eine neue Theorie."

Seit Jahrzehnten suchen Physiker daher nach einem würdigen Nachfolger der Relativitätstheorie, der sich auch mit Beobachtungen belegen lässt. Dabei wollen sie Einsteins Ideen jedoch nicht als Humbug verwerfen. Im Gegenteil: Eine neue Theorie soll sie in sich vereinen und helfen, die vier Kräfte der Physik - starke, schwache, elektromagnetische und Schwerkraft - unter einen Hut zu bringen.

Einsteins Überlegungen sollen nur einen Grenzfall darstellen, so der Traum vieler Wissenschaftler. Anwärter für eine solche Theorie der Quantengravitation gibt es bereits. Sie könnten die Relativitätstheorie mit der Welt des besonders Kleinen und damit den Quanten in Einklang bringen.

Das Prinzip der sogenannten Schleifenquantengravitation (Loop quantum gravity) wäre ein solch würdiger Nachfolger, glauben einige Physiker. Sie könnte nicht nur Wissenschaftler auf der Suche nach der fast schon mythischen Weltformel (Theory of Everything) unterstützen, sondern auch helfen, den Urknall besser zu verstehen und die Physik im Inneren eines Schwarzen Loches zu definieren.

Die Schleifenquantengravitation geht davon aus, dass unser Raum aus Schleifen aufgebaut ist, die zu Netzwerken verknüpft sind. Sie bewegen sich nicht innerhalb eines Raumes, sondern sind der Raum selbst und gehorchen dabei den Gesetzen der Quantenmechanik.

Netzmuster im Raum

Bestimmte Konstellationen und Knotenpunkte in diesem Netzwerk stellen dabei den Zustand des Raumes dar und definieren letzten Endes sogar Elementarteilchen. Die Zeit bekommt ihre Bedeutung durch Veränderungen im Netzwerk und ein aufeinanderfolgendes Umknüpfen der Knoten. Die Theorie beschreibt letztlich eine Art Netzmuster des Raums auf kleinster Ebene, das von Physikern auch Spin-Netzwerk genannt wird.

Ein anderer Kandidat für die Quantengravitation ist die Stringtheorie. Sie beschreibt die Quantenwelt als Ensemble vibrierender, eindimensionaler Saiten - den Strings. In Weiterentwicklungen der Theorie sind sogar mehrdimensionale Strings vorgesehen. Entsprechend vielfältige Varianten der Theorie sind mittlerweile im Umlauf.

Im Zentrum der Theorie stehen die Ausbreitung und Schwingungen der als winzig angenommen Strings und ihre Wechselwirkung. Kräfte und Teilchen gleichermaßen sollen durch sie hervorgerufen werden. Gerade das mathematische Handwerkszeug, das mit den schwingenden Strings einhergeht, hat seinen Reiz und könnte helfen, die Herausforderungen der Quantengravitation zu lösen.

Mathematiker gefragt

Neben Stringtheorie und Schleifenquantengravitation existieren noch weitere exotische Kandidaten, etwa die sogenannte Supergravitation. Welcher Ansatz auch immer das Rennen macht - die Nachfolge der Relativitätstheorie ist längst nicht nur ein physikalisches, sondern auch ein mathematisches Problem. Deshalb sind Physiker auf die grundlegende Hilfe von Mathematikern angewiesen.

"Jedes Mal, wenn in der Physik ein Fortschritt zu verzeichnen war, wenn eine neue Erkenntnisstufe erreicht wurde, mussten die Physiker eine neue Mathematik mit in ihren Werkzeugkasten nehmen", erklärt der Physiker Thiemann. "Jetzt sind wir auf der Suche nach neuen mathematischen Instrumenten, die es erlauben, die bisherigen Engpässe zu überwinden und die Einstein'schen Gleichungen auch in der Quantentheorie im Zaum zu halten."

Rückzug ins Patentamt

Ein langer und auch kostspieliger Prozess, von dem nicht unbedingt zu erwarten ist, dass er in naher Zukunft direkte Anwendung finden wird. Kein Wunder, dass Wissenschaftler des Feldes oft über zu kleine Forschungsetats klagen.

Ein altes Problem. Den Erfolgsdruck in der Grundlagenforschung sah schon Einstein kritisch. Er warb sogar dafür, einsame Jobs mit weniger "physischen oder geistigen Anstrengungen" an Wissenschaftler zu vergeben, damit diese sich ungestört und finanziell unabhängig nebenher ihrer Forschung widmen können. So wie er es selbst mit seiner Stelle am Patentamt Bern praktizierte. Während der Anstellung entwickelte Einstein die Spezielle Relativitätstheorie (1905) und arbeitete auch an seiner Habilitation (1908).

Dass seine rein theoretischen Überlegungen zur Dehnung von Zeit und Raum Jahrzehnte später tatsächlich von praktischer Relevanz sein würden, ahnte Einstein kaum. Das Navigationssystem GPS funktioniert nur dank der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wer weiß, welche Technologien mit Stringtheorie oder Schleifenquantengravitation eines Tages möglich werden.

Forum - Diskussion über diesen Artikel
insgesamt 487 Beiträge
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Kielt 01.01.2016
1. Nachfolger für eine grundlegende und verifizierte Theorie.
Offenbar ist sie den pc-Korrekten nicht mehr modern genug. Wie Newton´schen Grundgesetze der Bewegung. Sie erschaffen sich die eigene Welt. Wie sie ihnen passt. Man merkt schon, dass Spiegel-Redakteure keine Akademiker sind, fremd des wissenschaftlichen Denkens.
Frittenbude 01.01.2016
2.
"Unendliche Werte deuten laut Thiemann darauf hin, dass man den Gültigkeitsbereich einer Theorie überschritten hat. "Dann brauchen wir eine neue Theorie."" Ist das zwingend so? Oder wird gegebenenfalls nur der Gültigkeitsbereich des menschlichen Vorstellungsvermögens überschritten?
marthaimschnee 01.01.2016
3.
Schonmal darüber nachgedacht, ob die Relativitätstheorie vielleicht gar nicht die Realität beschreibt, sondern lediglich die Realität aus unserem arg begrenzten Blickwinkel? Die Verzerrung von Licht durch Gravitation ist zum Beispiel ja nur das, was wir hier von einem Objekt sehen. Das betrachtete Objekt sieht in Wirklichkeit aber ganz anders aus. Dummerweise wird alles, was wir derzeit sehen oder messen können, von den Unzulänglichkeiten des Lichts beeinflußt. Einstein hat somit ziemlich gut die Abhängigkeit der Realität vom Licht beschrieben. Darum ist Einsteins Universum auch auf die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, schnelleres ist hier schlicht und einfach gar nicht darstellbar. Nur was ist ohne Licht? DAS wird die zentrale Frage sein, die zum nächsten Baustein führt! PS: es ist ziemlicher Unfug zu behaupten, daß GPS wegen der Relativitätstheorie funktioniert. Korrekt wäre: Es funktioniert nach Prinzipien, die sich mit der Relativitätstheorie beschreiben lassen!
dieter-ploetze 01.01.2016
4. das war doch schon einsteins groesster wunsch
sein lebensziel war doch nach der relativitaetstheorie diese mit der quantentheorie zu verbinden.das ist ihm, wie bisher allen anderen ,nicht gelungen. uebrigens,wenn eine theorie zu unendlichen werten kommt,muss nicht unbedingt eine neue theorie her. es ist doch moeglich,dass unendlich ebenso wie das nichts,der kernpunkt ist,vielleicht gibt es nicht mehr zu erfahren.wir wissen es natuerlich nicht.
syracusa 01.01.2016
5. GPS und Relativitätstheorie
---Zitat--- Artikelzitat: "Das Navigationssystem GPS funktioniert nur dank der Allgemeinen Relativitätstheorie." ---Zitatende--- Das kann man so nicht behaupten. Die Ortsbestimmung und Navigation mittels GPS funktioniert auch ohne Berücksichtigung der Relativitätstheorie ganz hervorragend. Allerdings dient das GPS sehr wohl als Nachweis einiger der wichtigsten Vorhersagen der Relativitätstheorie. Für die Ortsbestimmung würde die Relativitätstheorie nur eine Rolle spielen, wenn im Empfänger eine hochgenaue Atomuhr eingebaut wäre. Das ist aber, wie jeder selbst leicht überprüfen kann, nicht der Fall. Vielmehr bezieht der GPS-Empfänger die aktuelle Zeit aus den Satelliten, so dass zwischen Satelliten und GPS-Empfänger gar keine realtivistischen Gangunterschiede der Uhren bestehen. Die Position wird ausschließlich in der Zeitbasis der Satelliten bestimmt. Das GPS hat aber andere, hauptsächlich militärische Funktionen wie die der Bereitstellung einer hochgradig genauen Zeit. Weil in den Satelliten die Zeit anders vergeht als auf der Erdoberfläche, muss dieser Gangunterschied bei der Bereitstellung der aktuellen Erdoberflächen-Zeit durch die Satelliten berücksichtigt werden. Das geschieht auf sehr triviale Weise, indem einfach die Empfangsfrequenz minimal gegenüber der Sendefrequenz verstimmt wird (10,229999995453 MHz gegenüber 10,23 MHz). Mehr dazu: https://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System#Relativistische_Effekte
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