Beunruhigend scharf
Eigentlich müssten nach den Gesetzen der Quantenmechanik Bilder aus den entlegenen Gegenden des Weltraums ein ganz klein wenig verschwommen sein, aber neue Untersuchungen von Astrophysikern offenbaren eine Tiefenschärfe, die es eigentlich gar nicht geben dürfte
Zur Erklärung des Universums und seiner allgemein gültigen Gesetze muss die Allgemeine Relativitätstheorie, der Ansatz zum Verständnis der großräumigen Strukturen, und die Quantenmechanik, die Theorie über das Verhalten von Mikroteilchen, dem Dualismus von Teilchen und Welle, in Einklang gebracht werden. Dabei ist eines der Hauptprobleme die Wirkung der Schwerkraft.
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| Crab Nebula, Bild |
Die Gravitation ist eine der Elementarkräfte der Natur und spielt bei der Verteilung von Materie im All eine wichtige Rolle. Auf der Erde ist sie für uns alle spürbar, aber in der verrückten Welt der Quanten ist ihre schwache Kraft extrem schwer nachweisbar. Vieles an der Schwerkraft und der Art ihrer Wirkung ist noch rätselhaft und verschiedene Theorien versuchen die scheinbaren Widersprüche in Einklang zu bringen. Dazu gehören die Forschung zur Dunklen Materie und Dunkler Energie (vgl. Das Universum ist voller dunkler Energie) sowie die Versuche der experimentellen Überprüfung der String-Theorie (vgl. Auf der Suche nach den Dimensionen des Raums).
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Das Konzept der Quantengravitation geht davon aus, dass der Raum nicht wirklich glatt, sondern bei hochauflösender Abbildung gekörnt ist. Also ähnlich großen Abzügen von Fotos, die mit einem Film niedriger Empfindlichkeit geschossen wurden oder dem Auftauchen von sichtbaren Pixeln beim Vergrößern eines digitalen Bildes. Allerdings ist auf dieser Ebene auch noch Bewegung.
Ein üblicher Vergleich ist ein windiger Sandstrand: von weitem betrachtet, wirkt er wie eine glatte Fläche, aus der Nähe besteht er aber aus einer unzählbaren Fülle von Sandkörnern, die durch eine Brise herum gewirbelt werden. Auf entsprechenden Weltraumbildern musste mindestens eine leichte Verschmierung oder Unschärfe sichtbar werden. Das Phänomen geschieht in Raum und Zeit auf der Ebene winzigster Einteilung, die Planck-Skala genannt wird (vgl. Quanten im Chaos), sollte sich aber nach den Vorstellungen der Astrophysiker in der Betrachtung sehr weit entfernter Objekte im All zeigen.
Jetzt haben sich Astrophysiker daran gemacht, diese theoretische Vorhersage anhand der Aufnahmen des Weltraumteleskops Hubble zu überprüfen. Kürzlich veröffentlichten Richard Lieu und Lloyd W. Hillman von der University of Alabama im Fachmagazin The Astrophysical Journal die Resultate ihre Forschung, die ergab, dass in den Bildern weit entfernter Objekte diese Quanten-Körnigkeit nicht zu erkennen war (vgl. The Phase Coherence of Light from Extragalactic Sources: Direct Evidence against First-Order Planck-Scale Fluctuations in Time and Space).
In der Ausgabe des gleichen Journals bestätigen Roberto Ragazzoni vom INAFOsservatorio Astronomico di Arretri, Massimo Turatto vom INAFOsservatorio Astronomico di Padova und Wolfgang Gässler vom Max-Planck-Institut für Astronomie diese Ergebnisse mit eigenen Untersuchungen (vgl. The Lack of Observational Evidence for the Quantum Structure of Spacetime at Planck Scales).
Die Aufnahmen offenbarten eine gestochene Tiefenschärfe, die sie nach der Quantenmechanik eigentlich gar nicht haben dürften.
"Die Theoretiker sind sehr beunruhigt", kommentiert Richard Lieu, "es könnte noch einiges bisher Fehlendes in der Physik entdeckt werden." (vgl. Nature) Und sein Kollege Roberto Ragazzoni ergänzt:
Die grundlegende Idee besagt, dass die Raumzeit fluktuiert. Wenn man Licht aus einer großen Entfernung betrachtet, dann durchquert dieses Licht Raum und Zeit und sollte dadurch fluktuieren. Dadurch sollte das Bild verzerrt sein, ein bisschen verschwommen. Aber wir sehen das Universum nicht verschwommen. Man kann jedes Bild des Hubble Teleskops aus den Tiefen des Alls nehmen und es wird scharf sein; damit ist klar, dass das Licht auf dem Weg von seiner Quelle bis zum Betrachter nicht verzerrt oder durch Fluktuationen der Raumzeit abgelenkt wurde. Diese Beobachtung genügt, um den Quanteneffekt auszuschließen.
Die neuen Widersprüche zum Ansatz der Quantengravitation werden sicherlich heftige wissenschaftliche Diskussionen und neue Forschungsaktivitäten auslösen. Nicht jeder Astrophysiker akzeptiert, dass die Quantenmechanik eine derartige Fluktuation der Lichts auslösen müsste. Das ganze Konzept der Quantengravitation ist noch sehr vieldeutig und rätselhaft. Die Physiker müssen die neuen Erkenntnisse in ihre Theorien einbeziehen, aber deswegen noch lange nicht alle bisherigen Annahmen über Bord werfen.
Missionen der European Space Agency (ESA) sollen in den kommenden Jahren gezielt nach den Auswirkungen der Gravitation suchen und Daten zur Überprüfung der verschiedenen theoretischen Ansätze liefern. Die Instrumente der Sonden werden nach Gravitationswellen spähen, und präzise ermitteln, wie Materie den Raum krümmt. Die Raumsonden-Mission HYPER hat die Zielsetzung, die durch die Quantenmechanik vorgesagte körnige Struktur des Alls zu überprüfen (vgl. Den Geheimnissen der Gravitation auf der Spur). Die Ergebnisse dieser Missionen werden durch ihre Daten dazu beitragen, die rätselhafte Kraft der Gravitation besser zu verstehen und die Verträglichkeit von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik im Universum eingehend zu untersuchen.
- Die Planck-Energie ist zu groß. (18.4.2003 15:01)
- Spekulation vs. harter Arbeit (18.4.2003 1:40)
- Wissenschaftliches Arbeiten != Produktion besserer Theorien (18.4.2003 0:19)
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