Durchbruch bei der „Theorie von Allem“? Physiker entwickeln bestechend einfaches Modell für Quantengravitation
Die Rede ist von Mikko Partanen und Jukka Tulkki von der Aalto-Universität im finnischen Espoo. Die beiden haben in der Fachzeitschrift „Reports on Progress in Physics“ einen neuen Ansatz vorgestellt, den sie „Unified Gravity“ nennen.
Diese Theorie hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir über die Schwerkraft denken, grundlegend zu verändern. Das Ziel der Forscher besteht darin, die Gravitation nahtlos in das Standardmodell der Teilchenphysik zu integrieren und so eine lang gesuchte Quantentheorie der Gravitation zu liefern.
Gravitation neu gedacht: Felder statt nur Krümmung
Der Clou des Ansatzes von Partanen und Tulkki liegt darin, die Gravitation nicht primär als eine Krümmung der Raumzeit zu betrachten, wie es Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (ART) tut. Stattdessen, so berichtet etwa Space.com, wird die Gravitation in ihrem Modell durch vier miteinander verbundene Felder vermittelt, die ähnlich wie das elektromagnetische Feld auf Masse reagieren. Diese Felder sollen sowohl untereinander als auch mit den Feldern des Standardmodells wechselwirken.
Der Kern ihrer Idee: Sie definieren vier grundlegende „Spielregeln“ (genannt U(1)-Symmetrien), die für ein neuartiges Feld gelten, das sie „Raumzeit-Dimensionsfeld“ nennen. Diese Symmetrien sind mathematisch verwandt mit denen, die etwa die elektromagnetische Kraft beschreiben.
Entscheidend ist: Allein aus diesen vier Regeln ergibt sich, was die Gravitation verursacht – also wie Energie und Materie die Schwerkraft erzeugen (der Fachbegriff ist Spannungs-Energie-Impuls-Tensor). Das ist ein eleganterer und direkterer Weg, als ihn die Allgemeine Relativitätstheorie geht, und ähnelt stark der Art, wie die anderen Naturkräfte im Standardmodell mathematisch beschrieben werden.
Der große Wurf? Was Unified Gravity verspricht
Das Besondere an „Unified Gravity“ ist der Verzicht auf viele der komplexen Annahmen, die andere Ansätze zur Quantengravitation, wie die Stringtheorie, mit sich bringen. So erklärte Jukka Tulkki in einer E-Mail gegenüber Live Science: „Unsere Theorie benötigt keine Extradimensionen, für die es bisher keine direkten experimentellen Belege gibt.“ Zudem, so Tulkki laut dem Bericht weiter, komme die Theorie „ohne freie Parameter jenseits der bekannten physikalischen Konstanten“ aus.
Ein riesiges Problem bisheriger Versuche, die Gravitation als Quantentheorie zu beschreiben, ist mathematischer Natur: Bei genauen Berechnungen tauchen oft unsinnige, unendlich große Werte auf, die jede Vorhersage unmöglich machen. Hier sehen Partanen und Tulkki einen entscheidenden Vorteil ihrer „Unified Gravity“: Sie argumentieren, dass sich diese „Unendlichkeiten“ in ihrem Modell gewissermaßen herausrechnen lassen.
Das soll gehen, indem man einige wenige Grundeinstellungen der Theorie geringfügig anpasst. Dieses Verfahren hat sich bei den anderen fundamentalen Kräften im Standardmodell bewährt und ist dort als „Renormierung“ bekannt. Dass dies gelingen könnte, darauf deuten auch bestimmte mathematische Eigenschaften ihrer Theorie hin, wie die Erfüllung einer speziellen Symmetrie (genannt BRST-Symmetrie) und eine dimensionslose „Stärke“ der Wechselwirkung (Kopplungskonstante).
Wichtig ist auch: Die neue Theorie bricht nicht komplett mit Einsteins Erkenntnissen. Partanen und Tulkki zeigen, dass „Unified Gravity“ unter bestimmten Voraussetzungen zu denselben Ergebnissen kommen kann wie Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (ART). Sie ist also gewissermaßen kompatibel mit den bekannten Gesetzen der Schwerkraft, wie wir sie bisher verstehen.
Der eigentliche Fortschritt könnte aber darin liegen, dass „Unified Gravity“ die Gravitation auch in einem „einfachen“ mathematischen Raum beschreiben kann, in dem es normalerweise keine Schwerkraft gäbe (einer sogenannten flachen Minkowski-Metrik). Das ist ein großer Unterschied zur ART, bei der die Anwesenheit von Gravitation immer auch eine Verformung dieses Raumes bedeutet. Diese neue Möglichkeit könnte Berechnungen im Quantenbereich erheblich vereinfachen.
Ein weiter Weg von der Theorie zur Bestätigung
Trotz der vielversprechenden Aspekte betonen die Autoren selbst, dass sich ihre Arbeit in einem frühen Stadium befindet. Dies spiegelt sich auch darin wider, dass die Veröffentlichung zwar das Peer-Review-Verfahren durchlaufen hat, aber (Stand Mai 2025) in der Fachliteratur bisher nur vereinzelt zitiert wurde, was auf eine noch ausstehende breitere wissenschaftliche Rezeption und Prüfung hindeutet.
„Die Theorie ist noch nicht in der Lage, diese großen Herausforderungen [wie Schwarze-Loch-Singularitäten oder den Urknall] anzugehen, aber sie hat das Potenzial, dies in Zukunft zu tun“, so Partanen gegenüber Live Science. Eine vollständige Bestätigung der Konsistenz und Renormierbarkeit über alle Ordnungen hinweg steht noch aus.
Die experimentelle Überprüfung ist, wie bei allen Theorien zur Quantengravitation, die größte Herausforderung. Die Effekte sind extrem subtil. „Angesichts des derzeitigen Tempos der theoretischen und beobachtenden Fortschritte könnte es einige Jahrzehnte dauern, bis die ersten experimentellen Durchbrüche erzielt werden, die uns direkte Beweise für Quantengravitationseffekte liefern“, schätzt Partanen. Indirekte Hinweise könnten jedoch früher möglich sein.
Dennoch bietet die Arbeit von Partanen und Tulkki eine frische Perspektive im jahrzehntelangen Bemühen, die Gravitation mit der Quantenwelt zu versöhnen. Es ist ein Ansatz, der auf den etablierten Prinzipien der Teilchenphysik aufbaut und gleichzeitig das Potenzial bergen könnte, einige der tiefsten Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln – und das möglicherweise mit einer überraschenden Einfachheit.
