Ein unkonventioneller Physiker baut eine Argumentation für die Abschaffung der Quantengravitation auf.

Eine Kluft zieht sich tief durch das Herz der Physik. Die Allgemeine Relativitätstheorie, welche die Gravitation beschreibt, steht im Widerspruch zur Quantenphysik. In dem Bestreben, diese physikalische Kluft zu schließen, haben unzählige Physiker ihre Karrieren damit verbracht, eine Theorie der Quantengravitation zu entwickeln.

Aber ein Physiker verfolgt einen radikal anderen Ansatz. Jonathan Oppenheim glaubt, dass die Gravitation grundlegend klassisch sein könnte, was bedeutet, dass sie überhaupt nicht quantenmechanisch ist. Das ist eine unkonventionelle Idee, um es gelinde auszudrücken.

"Als wir anfingen, dachten vielleicht 99 Prozent unserer Kollegen, wir wären Spinner, und jetzt sind es vielleicht noch 70 Prozent", scherzt Oppenheim von der University College London.

Alle bekannten Kräfte außer der Gravitation werden in Bezug auf die Quantenphysik formuliert. Die vorherrschende Meinung ist, dass die Gravitation sich mit ihren quantenmechanischen Kollegen assimilieren muss. Aber die Gravitation ist anders, argumentiert Oppenheim. Während sich andere Kräfte in einer Landschaft von Raumzeit entwickeln, ist die Gravitation die Verformung der Raumzeit selbst. Daher ist nach Oppenheims Ansicht "ziemlich unklar, ob sie eine quantenmechanische Natur haben sollte".

Physiker haben mehrere "No-Go"-Theoreme entwickelt, die scheinbar eine klassische Gravitationstheorie verbieten. Solche Theoreme zeigen Inkonsistenzen auf, die offensichtlich tödlich für die Idee sind und auftreten, wenn die klassische Gravitation auf quantenmechanische Teilchen angewendet wird. Aber Oppenheim berichtet am 4. Dezember im Physical Review X, dass es möglich ist, diese Verbote zu umgehen, indem man etwas Zufälligkeit zur Art und Weise hinzufügt, wie der Raumzeit auf quantenmechanische Teilchen reagiert.

Betrachten Sie das berühmte Doppelspaltexperiment der Quantenphysik. Teilchen werden auf einen Detektor geschickt, der durch eine Barriere mit zwei Spalten getrennt ist. Wenn diese Teilchen den Detektor erreichen, erzeugen sie ein gestreiftes Muster namens Interferenzmuster. Dieses Muster entsteht, weil das Teilchen in der Quantenphysik nicht darauf beschränkt ist, durch eine Spalte oder die andere zu passieren. Stattdessen kann es in einer Überlagerung existieren und eine quantenmechanische Kombination beider möglicher Wege annehmen. Wenn ein Wissenschaftler eine Messung macht, um festzustellen, durch welche Spalte das Teilchen gegangen ist, verschwindet dieses Muster.

Wenn ein standardmäßiges klassisches Bild der Gravitation korrekt wäre, wäre es möglich, das Gravitationsfeld dieses Teilchens so präzise zu messen, dass man feststellen könnte, durch welche Spalte das Teilchen gegangen ist. Diese Möglichkeit würde das Interferenzmuster zerstören, selbst ohne die Messung tatsächlich durchzuführen. Da Wissenschaftler das Interferenzmuster im Labor beobachten, ist das ein großer Schlag für eine standardmäßige klassische Gravitationstheorie.

Aber die Zufälligkeit, die in Oppenheims Theorie eingebettet ist, bedeutet, dass das Teilchen keinen bestimmten Gravitationsfeldwert hat, sondern dass das Feld fluktuiert. Das bedeutet, anders als bei der standardmäßigen Version der klassischen Gravitation, dass es nicht möglich ist, durch eine präzise Messung seines Gravitationsfeldes festzustellen, durch welche Spalte ein Teilchen gegangen ist. Teilchen können in einer Überlagerung durch die Spalten gelangen, und das Interferenzmuster bleibt erhalten, was die Möglichkeit eröffnet, dass die Gravitation klassisch sein könnte.

Experimente können diese Theorie überprüfen, indem sie nach Hinweisen auf diese zufälligen gravitativen Fluktuationen suchen, berichten Oppenheim und Kollegen am 4. Dezember in Nature Communications. "Im Wesentlichen messen Sie die Reaktion einer Masse auf ein Gravitationsfeld sehr präzise", sagt Studienmitautor Zach Weller-Davies, der die Arbeit am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, absolvierte.

Es ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler einen Weg vorgeschlagen haben, um die klassische Gravitation mit der Quantenphysik in Einklang zu bringen. Aber Oppenheim hat eine "Renaissance angeführt", sagt der Physiker Vivishek Sudhir vom MIT. Sudhir hofft, die Theorie mit einem anderen Experiment zu testen, indem er die Korrelationen zwischen den Bewegungen von zwei Massen misst, die gravitativ interagieren, wie er und ein Kollege am 16. September auf arXiv.org berichten.

Die Theorie hat jedoch Merkmale, die einige Physiker möglicherweise unbefriedigend finden. Zum Beispiel bedeutet die involvierte Zufälligkeit, dass die Theorie nicht umkehrbar ist: Anders als bei anderen Theorien gibt es keinen Weg, von einem Interaktionsendpunkt auszugehen und seine Schritte rückwärts zu verfolgen.

Trotzdem glauben sogar einige Anhänger der Quantengravitation, dass die Arbeit einen Wert hat.

"Der Grund, warum diese Arbeit für mich interessant ist, besteht nicht wirklich darin, dass ich glauben würde, dass die Gravitation klassisch ist", sagt Flaminia Giacomini von der ETH Zürich. Das Ergebnis sei interessant, unabhängig davon, ob man feststellt, dass die Gravitation klassisch oder quantenmechanisch ist. Denn um mit Zuversicht behaupten zu können, dass die Gravitation quantenmechanisch ist, müssen Wissenschaftler die Möglichkeiten der klassischen Gravitation verstehen. "Nur so können wir auf starke Weise beweisen, dass die Gravitation nicht mit einer klassischen Beschreibung vereinbar ist."