Zwei Studien von Forscher:innen am University College London (UCL) könnten unser Verständnis von Schwerkraft und Raumzeit revolutionieren. Denn sie beinhalten eine radikale Theorie, die Schwerkraft und Quantenmechanik konsequent vereint und gleichzeitig Einsteins klassisches Konzept der Raumzeit beibehält.

Das klingt nicht unmittelbar verständlich, wird aber deutlich, wenn wir uns vor Augen halten, dass die moderne Physik sich bislang auf zwei Säulen stützt, die miteinander unvereinbar scheinen. Zum einen haben wir die Quantentheorie, die die kleinsten Teilchen im Universum erklären soll. Zum anderen gilt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft durch die Krümmung der Raumzeit erklärt. Eine Annäherung ist seit über einem Jahrhundert nicht möglich.

Vielmehr ging die Wissenschaft bislang davon aus, dass Einsteins Gravitationstheorie modifiziert oder „quantisiert“ werden muss, um in die Quantentheorie zu passen. Daraus entwickelten sich die beiden führenden Kandidaten für eine Quantentheorie der Schwerkraft – nämlich die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation.

Die neue, von UCL-Professor Jonathan Oppenheim entwickelte Theorie stellt die herrschende Annahme infrage. Sie schlägt vor, dass die Raumzeit klassisch sein könnte – das heißt, dass sie überhaupt nicht von der Quantentheorie bestimmt wird. Oppenheims Theorie ist im Detail in einer neuen Veröffentlichung in Physical Review X (PRX) nachzulesen.

Anstatt den Ansatz der Raumzeit zu diskutieren, modifiziert die als „Postquanten-Theorie der klassischen Gravitation“ bezeichnete Theorie die Quantentheorie selbst. Sie sagt einen inhärenten Zusammenbruch der Vorhersagbarkeit voraus, der durch die Raumzeit selbst vermittelt würde. Dies führe zu „zufälligen und heftigen Fluktuationen in der Raumzeit“, die größer seien als in der Quantentheorie angenommen. Dadurch werde das scheinbare Gewicht von Objekten unvorhersehbar, wenn es genau genug gemessen würde.

Eine von Professor Oppenheims ehemaligen Doktoranden in Nature Communications veröffentlichte Arbeit schlägt ein Experiment vor, um Oppenheims Kerntheorie zu testen. So müsse eine Masse laufend absolut präzise gemessen werden, um zu sehen, ob ihr Gewicht im Laufe der Zeit zu schwanken scheint.

Oppenheim ist sich sicher, auf dem richtigen Weg zu sein: „Die Quantentheorie und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sind mathematisch nicht miteinander vereinbar, daher ist es wichtig zu verstehen, wie dieser Widerspruch aufgelöst wird. Sollte die Raumzeit quantisiert werden, oder sollten wir die Quantentheorie modifizieren, oder ist es etwas ganz anderes? Jetzt, da wir eine konsistente Fundamentaltheorie haben, in der die Raumzeit nicht quantisiert wird, ist es nur noch eine Frage der Zeit.“

Mitautor Zach Weller-Davies, der als UCL-Doktorand an der Entwicklung der Theorie mitgearbeitet hat, ergänzt: „Diese Entdeckung stellt unser Verständnis der grundlegenden Natur der Schwerkraft infrage, bietet aber auch Möglichkeiten, ihre mögliche Quantennatur zu untersuchen.“

Wenn es nämlich stimme, dass die Raumzeit keine Quantennatur hat, müsse es zufällige Fluktuationen in der Krümmung der Raumzeit geben, „die eine bestimmte Signatur haben, die experimentell verifiziert werden kann“, so Weller-Davies.

Fertig ist das UCL-Team mit seiner Theorie bislang nicht. Die Forscher:innen gehen davon aus, dass es noch gute 20 Jahre dauern könne, bis Gravitations- und Quantentheorie auf gemeinsame Füße gestellt sind.