Astrophysik: Die gestückelte Raumzeit

Aus: Sterne und Weltraum, Dezember 2011
Ob man es nun die Weltformel nennt oder die Zusammenführung aller Theorien - über eine vereinheitlichte Physik denken Forscher schon lange nach. Es ist die weltliche Sinnsuche nach dem Einen, das alles erklärt; die Hoffnung, dass hunderte von Formeln und Definitionen und Konstanten eines Tages in einem großen Ganzen aufgehen werden.
Die Physiker des 20. Jahrhunderts haben schon zwei sehr weitreichende Modelle entwickelt: die Quantentheorie und die Relativitätstheorie. Doch die beiden existieren bisher nebeneinander her. Für eine Weltformel muss man sie zusammenbringen und verschmelzen. Was daraus in der Theorie folgt, ist faszinierend und entspricht nicht unserer Alltagserfahrung: Raum und Zeit sind nicht kontinuierlich. Stattdessen bestehen sie aus winzigen Einheiten; sie haben sozusagen eine körnige Struktur.
Woher diese Stückelung? Sie folgt aus der Quantenphysik. Denn diese besagt, dass alles – Materie, Energie, elektrische Ladung – aus kleinsten diskreten Teilchen aufgebaut ist: Alles ist gequantelt. Die Relativitätstheorie wiederum beschäftigt sich mit dem ganz Großen. Bei ihr werden Raum und Zeit zur Raumzeit zusammgefasst. Quantenphysik plus Relativitätstheorie bedeutet dann konkret: Auch die Raumzeit besteht aus einzelnen Körnern, auch die Raumzeit ist gequantelt. Jedoch ist dies bis jetzt nur eine schöne Theorie, denn noch fehlt der experimentelle Nachweis. Über die bisherigen Versuche und ihr vorläufiges Scheitern schreiben Maximilian Imgrund und Harald Lesch in der Dezemberausgabe von Sterne und Weltraum.
Tatsächlich hat die Körnung der Raumzeit einen so winzigen Einfluss, dass sie sich nicht direkt messen lässt. Summiert sich ihr Effekt jedoch über extrem lange Strecken auf, so hat man doch eine Chance, ihn zu beobachten. Wissenschaftler nahmen dafür die Laufzeit des Lichts als virtuelles Maßband. Denn nur im idealen Vakuum breitet sich Licht mit der wohlbekannten Lichtgeschwindigkeit aus. In jedem Material dagegen wird es minimal verlangsamt. Jede Lichtfarbe – oder anders gesagt: jede Frequenz – wird dabei unterschiedlich stark abgebremst. Das langwellige Rot wird mehr verlangsamt als das kurzwellige blaue Licht. Ist das Material beispielsweise ein Glasprisma, so sieht man dahinter alle Farben von rot bis blau aufgefächert.
Die hierfür entscheidende Eigenschaft des Materials nennt sich sein Brechungsindex. Ebenso wie Glas müsste auch die Körnung der Raumzeit als eine Art Brechungsindex wirken. Wie im Prisma würde darum rotes Licht etwas später ankommen als blaues. Doch wie bereits erwähnt, ist dieser Effekt sehr gering. Um ihn messen zu können, reicht nicht die Betrachtung von rotem und blauem Licht. Denn was wir sichtbares Licht nennen, ist nur ein sehr kleiner Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums, rot und blau liegen so gesehen sehr nahe beieinander. Für eine aussagekräftige Messung muss ein viel breiterer, für uns größtenteils unsichtbarer Spektralbereich beobachtet werden. Zweitens muss wie gesagt die Laufzeit der Strahlung sehr groß sein – wir sollten also eine sehr weit entfernte Lichtquelle finden. Damit aber von dort überhaupt noch eine messbare Strahlungsmenge bei uns ankommt, muss drittens die Quelle sehr stark leuchten.
All diese Eigenschaften haben Astronomen in so genannten Gammastrahlblitzen gefunden. Sie entstehen in der Nähe Schwarzer Löcher und sind kurze, sehr starke Pulse mit einem breiten Frequenzbereich. Wissenschaftler haben mittlerweile etliche solcher Gammastrahlblitze ausgewertet. Das ernüchternde Ergebnis: Die Pulsmaxima lagen in allen Frequenzen exakt übereinander – eine Verzögerung der langwelligeren Strahlung gegenüber der kurzwelligen ließ sich also nicht beobachten.
Noch ein zweites Experiment stellen die Autoren Imgrund und Lesch vor: Hier geht es um elektromagnetische Mikrowellenteilchen der kosmischen Hintergrundstrahlung, die im All mit Protonen der kosmischen Teilchenstrahlung zusammenstoßen. Wenn die Protonen eine Energie von mehr als hundert Trillionen Elektronenvolt haben (das entspricht einer Eins mit 20 Nullen und ist ein vielfaches der Energie, die die Teilchen im Beschleuniger des CERN haben), entstehen aus diesem Zusammenprall neue Teilchen namens Pionen. Auf diese Art verpuffen alle Protonen mit einer Energie oberhalb von hundert Trillionen Elektronenvolt, lange bevor sie die Erde erreichen.
Falls aber die Raumzeit gestückelt ist, dann gibt es in jedem Raumzeitkorn winzige natürliche Schwankungen. Man nennt sie Raumzeitfluktuationen. Die Mikrowellen müssten durch diese Fluktuationen rein statistisch immer wieder einmal ein wenig Energie dazugewinnen. Im Gegenzug reicht dann als zweiter Stoßpartner ein Proton mit weniger Energie aus, um ein Pion zu erzeugen – denn hierbei zählt nur die Gesamtenergie. Dadurch erwartet man, dass auch alle Protonen mit 100 000-Fach weniger Energie verschwunden sind, bis sie die Erde erreichen. Und doch ist dies nicht der Fall: In einem großangelegten Experiment in der argentinischen Steppe vermaßen Wissenschaftler viele Protonen oberhalb dieser herabgesetzten Energiegrenze. Statt dessen lag die Grenze genau dort, wo sie ohne die Raumzeitfluktuation wäre: bei hundert Trillionen Elektronenvolt.
Zwei Experimente, zwei Niederlagen für die gequantelte Raumzeit. Obwohl die heutigen astronomischen Beobachtungen empfindlich genug sind, wurde die erwartete Korngröße der Raumzeit nicht gefunden. Mindestens zwei Schlüsse kann man daraus ziehen: Entweder lässt sich die Quantenmechanik eben doch nicht auf die Raumzeit des Universums anwenden. Oder die Körnung ist noch viel feiner, als man bisher annimmt. Dann wären die Effekte der Verzögerung langwelliger Strahlung und der fluktuierenden Protonenenergie zwar grundsätzlich da, aber für unsere Messinstrumente noch immer zu winzig. Einstweilen lassen sich die Wissenschaftler nicht von der Suche nach einer vereinheitlichten großen Theorie abbringen.