Gravitation aus Entropie: Neuer Ansatz zur Vereinigung von Quantenmechanik und allg. Relativitätstheorie
Copyright/Quelle: G. Bianconi, Physical Review D (2025)
London (Großbritannien) – Die Vereinigung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie gilt als einer der größten Herausforderungen der modernen Physik. Eine Mathematikprofessorin schlägt nun ein neues Rahmenkonzept vor, das unser Verständnis der Gravitation und ihrer Beziehung zur Quantenmechanik im Sinne einer „Quantengravitation“ revolutionieren könnte.
Inhalt
Wie Professorin Ginestra Bianconi, Professorin für Angewandte Mathematik an der Queen Mary University of London aktuell im Fachjournal „Physical Review D“ (DOI: 10.1103/PhysRevD.111.066001) darlegt, leitet ihr neuartiger Ansatz unter dem Titel „Gravitation aus Entropie“ Gravitation aus der Quantenrelativen Entropie ab und schlägt damit eine Brücke zwischen zwei der fundamentalsten, aber scheinbar unvereinbaren Theorien der Physik: der Quantenmechanik und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.
Die Herausforderung der Quantengravitation
Schon seit Jahrzehnten versuchen Physiker, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die die Gravitation auf kosmischen Skalen beschreibt, mit der Quantenmechanik zu vereinen, die das Verhalten kleinster Teilchen regelt. Die fehlende Verbindung zwischen beiden Theorien ist eines der größten ungelösten Probleme der Physik.
Indem sie die Metrik der sogenannten Raum-Zeit – ein zentrales Konzept der allgemeinen Relativitätstheorie, das die Struktur des Universum beschreibt – als ein quantenmechanisches Objekt behandelt, bietet Professor Bianconis Arbeit hier eine neue Perspektive.
Der innovative Ansatz nutzt die Quantenrelative Entropie, ein Konzept aus der Quanteninformationstheorie als Maß für Information, Unordnung oder Unbestimmtheit in einem physikalischen System, um das Zusammenspiel zwischen Raumzeitgeometrie und Materie zu beschreiben.
Die Rolle der Entropie und das G-Feld
Die Studie führt eine neue entropische Wirkung ein, die die Differenz zwischen der Metrik der Raum-Zeit und der durch Materiefelder induzierten Metrik quantifiziert. Dieser Ansatz führt zu modifizierten Einsteinschen Feldgleichungen, die sich im Regime schwacher Kopplung – also bei niedrigen Energien und geringer Krümmung – auf die klassischen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie reduzieren. Darüber hinaus geht die Theorie über die klassische Relativitätstheorie hinaus und sagt die Existenz einer kleinen, positiven kosmologischen Konstante voraus – ein Wert, der deutlich besser mit experimentellen Beobachtungen der beschleunigten Expansion des Universums übereinstimmt als bisherige Theorien.
Allgemeinverständlich ausgedrückt beschriebt Bianconi einen neuen Ansatz, bei dem die Unterschiede zwischen der Raum-Zeit-Struktur und der durch Materie beeinflussten Raum-Zeit berechnet werden. Dadurch ergeben sich leicht veränderte Versionen von Einsteins Gleichungen zur Gravitation. In alltäglichen Situationen, bei niedrigen Energien und geringer Krümmung des Raums, führen diese neuen Gleichungen zu den bekannten Gesetzen der Relativitätstheorie. Gleichzeitig macht die Theorie eine zusätzliche Vorhersage: Sie sagt eine kleine, positive kosmologische Konstante voraus – eine Art Grundkraft, die zur beschleunigten Ausdehnung des Universums beiträgt. Diese Vorhersage passt besser zu aktuellen Beobachtungen der beschleunigten Ausdehnung des Universums als frühere Theorien.
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Ein zentrales Merkmal dieser Theorie ist die Einführung des sogenannten G-Feldes, eines Hilfsfeldes, das als Lagrange-Multiplikator fungiert. Das G-Feld spielt nicht nur eine entscheidende Rolle in den modifizierten Gleichungen der Gravitation, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten zur Interpretation der Dunklen Materie – einer mysteriösen Substanz, die einen erheblichen Teil der Masse des Universums ausmacht, aber bisher nicht direkt nachgewiesen werden konnte.
Breitere Implikationen und zukünftige Entwicklungen
Die Implikationen dieser Forschung sind weitreichend: Durch die Verknüpfung der Gravitation mit der Quanteninformationstheorie bietet der Ansatz einen möglichen Weg zu einer einheitlichen Theorie der Quantengravitation. Darüber hinaus könnte das G-Feld neue Erkenntnisse über die Natur der Dunklen Materie liefern, eines der größten ungelösten Rätsel der Kosmologie.
„Meine Arbeit schlägt vor, dass die Quantengravitation einen entropischen Ursprung hat, und deutet darauf hin, dass das G-Feld ein Kandidat für Dunkle Materie sein könnte“, erklärt Professorin Bianconi. „Zusätzlich könnte die durch unser Modell vorhergesagte kosmologische Konstante helfen, die Diskrepanz zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Beobachtungen der Expansion des Universums zu lösen.“
Obwohl noch weitere Forschung erforderlich ist, um die vollständigen Auswirkungen dieser Theorie zu erforschen, stellt die Studie einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der fundamentalen Natur des Universums dar.
Professor Bianconis Arbeit hinterfragt etablierte Annahmen und eröffnet spannende neue Forschungswege. Indem sie die Raum-Zeit als ein quantenmechanisches Objekt betrachtet und die mit der Raum-Zeitmetrik verbundene Entropie nutzt, könnte diese Forschung den Weg zu einem tieferen Verständnis der Gravitation, der Quantenmechanik und des Universums selbst ebnen.
Recherchequelle: Queen Mary University of London
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