Die Geheimnisse einiger der größten Rätsel des Universums, so glaubt Sera Cremonini, könnten durchaus im Verhalten seiner kleinsten Bestandteile liegen.
Betrachten Sie den Beginn des Universums. Im Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall vor 14 Milliarden Jahren explodierte eine riesige Menge eng begrenzter Materie in ein superheißes Meer subatomarer Teilchen.
Und denken Sie an die schwarzen Löcher, die entstehen, wenn massereiche Sterne kollabieren. Sie komprimieren die Materie so dicht, dass nichts, was in ihren Bereich eindringt, jemals wieder entkommt, nicht einmal Licht.
Wie haben die ersten Teilchen des Universums interagiert? Wie bildeten sie Quarks, und wie verbanden sich diese zu den ersten Protonen und Neutronen? Und welchen Gesetzen unterliegt die „Gravitationssingularität“ eines schwarzen Lochs, ein Riss im Gewebe der Raumzeit, in dem Dichte und Schwerkraft unendlich werden?
Cremonini, Assistenzprofessor für Physik, untersucht diese Fragen durch die Linse der Stringtheorie, die besagt, dass jedes Teilchen im Universum aus winzigen vibrierenden Energiefäden besteht. Mit einer Größe von nur 10-34 Metern ist ein String im Vergleich zu einem Quark so groß wie ein Atom im Vergleich zur Erde.
Strings sind eindimensionale Objekte, die eine Länge, aber keine Breite haben. Sie können ein offenes Ende haben, eine geschlossene Schleife bilden oder sich an Membranen oder Branen anlagern, die winzig klein sein oder das gesamte Universum ausfüllen können. Wie Gitarrensaiten, die so gestimmt sind, dass sie unterschiedliche Frequenzen erzeugen, können die Schwingungen der Saiten mit den verschiedenen Teilchen in Verbindung gebracht werden, die wir kennen. Eines davon entspricht dem Graviton, dem Teilchen, von dem man annimmt, dass es Träger der Gravitationskraft ist. Die Art und Weise, wie Strings und Membranen sich anordnen und miteinander interagieren, führt zu den Eigenschaften der subatomaren Teilchen, die wir beobachten.
„Die Idee hinter der Stringtheorie ist einfach“, sagt Cremonini. „Wenn man tief ins Innere eines Teilchens blickt, sieht man eine winzige vibrierende Saite. Dies ist die fundamentale Einheit, nach der wir gesucht haben, die fundamentale Einheit, aus der alles besteht.“
Die Stringtheorie, so Cremonini, ist der beste Rahmen, der bisher entwickelt wurde, um die beiden unvereinbaren Theorien zu überbrücken, die beschreiben, wie das Universum funktioniert. Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie lehrt, dass die Schwerkraft die Krümmung von Raum und Zeit ist; sie ist deterministisch und beschreibt großräumige Phänomene. Sie ist deterministisch und beschreibt großräumige Phänomene. Die Quantenmechanik ist probabilistisch und regelt das Verhalten atomarer und subatomarer Teilchen.
„Einsteins allgemeine Relativitätstheorie ist eine wunderschöne, gut getestete Theorie, die uns erklärt, wie massive Objekte das Gewebe der Raumzeit verformen“, sagt Cremonini. „Dank dieser Theorie haben wir GPS-Systeme, wir verstehen die Bahnen der Planeten und die Krümmung des Lichts um Galaxien. Und erst letztes Jahr hat das LIGO-Experiment zum ersten Mal Gravitationswellen nachgewiesen, die Einstein 100 Jahre zuvor vorhergesagt hatte. Dabei handelt es sich um Wellen in der Raumzeit selbst, die durch die Kollision zweier schwarzer Löcher verursacht werden – eine spektakuläre Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie.
„Aber die allgemeine Relativitätstheorie funktioniert nur bei großen Entfernungen oder großen Maßstäben gut – bei einem Planeten, einem Apfel oder einem Flugzeug. Die Theorie kann die Schwerkraft nicht überall im Universum beschreiben. Sie bricht zusammen, wenn es um sehr, sehr kurze Entfernungen geht, wo die Auswirkungen der Quantenmechanik nicht ignoriert werden können.
„Die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik erklären ihre jeweiligen Bereiche gut, aber wir brauchen eine Theorie, eine Theorie der Quantengravitation, die beide vereint, um Situationen zu beschreiben, in denen Gravitations- und Quanteneffekte gleichermaßen wichtig sind. Die Stringtheorie ist derzeit der vielversprechendste und konsistenteste Rahmen, den wir haben, um die Quantennatur der Schwerkraft zu beleuchten. Sie ist ein Instrumentarium, mit dem wir Fragen über den Beginn des Universums, das Verhalten und die Eigenschaften von schwarzen Löchern und die Struktur der Raumzeit beantworten können. All diese Ideen gehören zusammen.“
Cremonini erhielt kürzlich ein dreijähriges Stipendium der National Science Foundation, um die Mikrostruktur der Raumzeit zu untersuchen, das vierdimensionale Kontinuum, in das die drei physikalischen Dimensionen mit der Zeit verwoben sind. Mit Hilfe einer Technik namens Holographie hofft sie, Licht in Phänomene zu bringen, die von der unmittelbaren Folge des Urknalls über die Struktur und die Eigenschaften schwarzer Löcher bis hin zum Verhalten unkonventioneller Materialien wie Hochtemperatur-Supraleiter reichen.
Die kugelförmige Kuh
Cremonini beginnt einen Großteil ihrer Forschung mit einem Bleistift und einem Blatt Papier, auf dem sie Differentialgleichungen aufstellt, die nicht viel komplizierter sind als die, die Studenten in der Hochschulmathematik zu lösen lernen. Es handelt sich um die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, der Quantenfeldtheorie und der Stringtheorie.
„Viele dieser Berechnungen erfordern physikalische Intuition“, sagt sie. „Einige davon können von Hand gemacht werden. Wenn ich ein Problem erst einmal richtig gelöst habe, nehme ich den Computer zur Hilfe.“
Wie die meisten Physiker macht Cremonini viele Näherungen und Annahmen über die reale Welt. Dies ist bei der Stringtheorie besonders wichtig, da die Wissenschaftler noch keine Werkzeuge entwickelt haben, mit denen sie Strings erzeugen oder beobachten können.
„In der Physik gibt es einen Witz über eine kugelförmige Kuh“, sagt sie. „Die meisten Probleme, an denen Physiker arbeiten, erfordern, dass wir uns der realen Welt annähern, wie zum Beispiel eine Kuh, die wir kugelförmig machen, weil eine Kugel viel einfacher zu modellieren ist als eine echte Kuh.
„Wir haben nicht die mathematischen Werkzeuge, um bestimmte Probleme zu lösen, also sind wir gezwungen, Vereinfachungen und Annäherungen vorzunehmen, um sie auf etwas zu reduzieren, das wir angehen können. Wir müssen ein Problem, von dem wir nicht wissen, wie es zu lösen ist, auf etwas übertragen, von dem wir wissen, dass es lösbar ist, ohne dass dabei seine wesentlichen physikalischen Eigenschaften verloren gehen.“
Das Gravitations-Quanten-Wörterbuch
Eine Dualität in der Stringtheorie, so Cremonini, gibt Aufschluss darüber, wie sich die Gravitation zur Welt der Quantenmechanik verhält. Einige Aspekte der Gravitationsraumzeit, sagt sie, haben alternative Beschreibungen in der Quantenwelt.
„In der Stringtheorie lernen wir, dass bestimmte Theorien der Gravitation, die in einer bestimmten Anzahl von Dimensionen leben, entsprechende und völlig gleichwertige Beschreibungen in Quantentheorien haben, die in einer Dimension weniger leben. Wegen dieses Unterschieds in der Anzahl der Dimensionen nennen wir dies Holographie, da es an ein Hologramm erinnert, das eine Projektion eines 3D-Objekts auf zwei Dimensionen ist.“
Wie ein französisch-deutsches oder japanisch-englisches Wörterbuch, sagt Cremonini, enthalten eine Gravitationstheorie und die entsprechende Quantentheorie die gleiche Menge an Informationen, werden aber mit unterschiedlichen Worten und Konventionen geschrieben. Die Holographie bietet ein „reichhaltiges Netz“ von Verbindungen, sagt Cremonini, die es ermöglichen, zwischen der Gravitations- und der Quantenwelt zu übersetzen und einige ihrer schwierigsten Aspekte auf völlig neue Weise zu betrachten. Es stellt sich heraus, dass ein Problem, das in einem Bereich schwer zu lösen ist, in den anderen Bereich – in der Regel den der Gravitation – übertragen werden kann, wo es leichter zu lösen ist.
Die Asymmetrie der Realität bewerten
Das Ziel von Cremoninis aktueller Forschung ist es, den Umfang der Probleme zu erweitern, auf die holographische Techniken effektiv angewendet werden können.
„Holographische Techniken wurden ursprünglich für einfache Systeme entwickelt, die sich gut verhalten, viel Symmetrie haben und nicht zu realistisch sind“, sagt sie. „Wir haben herausgefunden, dass diese Techniken viel breiter angelegt und ziemlich leistungsfähig sind. Ich frage mich, inwieweit wir diese Ideen auf komplexere Systeme mit weniger Symmetrie ausdehnen und verallgemeinern können, die unserem Universum näher liegen und daher realistischer sind.
„Physiker denken gerne in Symmetrien. Die meisten unserer Fortschritte, vor allem in der Teilchenphysik, beruhen auf dem Verständnis von Systemen, die sehr symmetrisch sind; sie sind einfach leichter zu verstehen. Aber im wirklichen Leben gibt es in der Natur viele Mechanismen, um Symmetrien zu brechen, und die Prozesse sind dynamisch und viel komplizierter.
Die Probleme, die die Physiker vor die größte Herausforderung stellen, so Cremonini, betreffen in der Regel Systeme, deren Bestandteile – zum Beispiel Elektronen – stark miteinander wechselwirken. In diesen Fällen ist die Modellierung, wie sich die Systeme bei verschiedenen Temperaturen verhalten oder wie sie Phasenübergänge von einem Zustand in einen anderen durchlaufen, bekanntermaßen schwierig.
Einer der von Cremonini untersuchten Phasenübergänge findet in einem Quantensystem namens Quark-Gluon-Plasma statt. Nach der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) bestehen die Protonen und Neutronen, aus denen der Kern eines Atoms besteht, selbst aus drei kleinen Quarks, die durch Gluonen genannte Teilchen eng miteinander verbunden sind. Bei ausreichend hohen Energien trennen sich die Quarks und Gluonen physikalisch und schweben frei in einer heißen Suppe, dem Plasma. Der Phasenübergang, der die Quarks voneinander trennt, wird als QCD-Dekonfinement bezeichnet und ist Gegenstand von Experimenten am Relativistic Heavy Ion Collider am Brookhaven National Laboratory und am Large Hadron Collider am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung in der Schweiz.
„Wegen der starken Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen“, so Cremonini, „ist dieses System sehr schwer zu untersuchen. Aber es kann auf ein geeignetes Gravitationssystem abgebildet werden, in dem einige seiner Eigenschaften viel leichter zu untersuchen sind.“
Wenn Energie das Verhalten bestimmt
In ihrem NSF-Projekt versucht Cremonini, holographische Techniken zu verwenden, um Quantenphasen der Materie zu untersuchen, deren Verhalten gerade wegen dieser starken Wechselwirkungen schlecht verstanden ist. Ein Beispiel sind Hochtemperatur-Supraleiter, die bei Temperaturen von bis zu -70 Grad Celsius supraleitend werden, während die Schwelle für gewöhnliche metallische Supraleiter bei -240 Grad Celsius liegt.
Da ihre Bestandteile stark miteinander wechselwirken, so Cemonini, sind Hochtemperatur-Supraleiter viel schwieriger zu modellieren als normale Supraleiter.
„Hochtemperatur-Supraleiter sind sehr interessante Materialien, aber es gibt kein tiefes Verständnis dafür, warum sie supraleitend sind“, sagt sie. „Das Verhalten der Bestandteile dieser Materialien ist sehr seltsam. Ihre Elektronen sind so verschränkt und interagieren so stark, dass wir ihr Verhalten mit den Techniken, die wir normalerweise für normale Supraleiter oder herkömmliche Metalle verwenden, nicht wirklich verstehen können. Die holographischen Techniken geben uns die Möglichkeit, nachvollziehbare Berechnungen anzustellen, die es uns ermöglichen, diese Systeme und ihre ungewöhnlichen Eigenschaften zu modellieren.“
Das Verhalten vieler Systeme kann mit dem Verhalten von Kindern verglichen werden, die einen zuckerbedingten Rausch erleben. Wenn einem System Energie entzogen wird, so Cremonini, entspannt sich das System in seinen Null-Energie- oder Grundzustand. Wenn Energie zugeführt wird, oft durch Zufuhr von Wärme, wird das System angeregt und zeigt ein reichhaltiges Verhalten.
„In der Physik ist es wichtig zu verstehen, wie sich Systeme verhalten, wenn man ihnen Energie entzieht und in welchen Zustand sie sich entspannen. Das Verhalten ist eine Funktion der Energie.
„Denken Sie daran, was passiert, wenn Wasser kocht. Es bildet sich eine Blase – eine Instabilität im System – und beginnt zu wachsen. Dann bilden sich weitere Blasen und wachsen zu einer dampfenden Masse an. So stellen wir uns Phasenübergänge vor: Sie entstehen, weil sich eine Instabilität bildet und dann wächst. In meiner Arbeit untersuche ich eine Vielzahl von Quantenphasen und die Arten von Instabilitäten, die sich daraus ergeben können.“
In ihrem NSF-Projekt untersucht Cremonini auch, wie sich die Schwerkraft aus mikroskopischen, quantenmechanischen Bestandteilen entwickelt. Sie hofft, dass ihre Antworten Licht auf die Struktur der Raumzeit, den Beginn und die frühe Entwicklung des Universums und die Physik der schwarzen Löcher werfen werden.
„Die Stringtheorie hat uns viele Einblicke in die Beziehung zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik gegeben, insbesondere in den letzten 20 Jahren. Sie hat uns geholfen, die fundamentale Struktur von Schwarzen Löchern zu verstehen. Wir wissen, dass Schwarze Löcher eine Temperatur haben, was bedeutet, dass mit ihnen Entropie verbunden ist. Aber Entropie ist nicht nur ein Maß für die Unordnung. Sie sagt uns auch, dass das Schwarze Loch aus einem Haufen mikroskopisch kleiner Teile bestehen sollte. Einer der großen Erfolge der Stringtheorie besteht darin, dass sie uns eine Möglichkeit gegeben hat, die mikroskopischen Bits zu berechnen, aus denen bestimmte Schwarze Löcher bestehen, und dass sie deren Entropie sehr genau reproduziert hat. Das ist bemerkenswert und ein Muss für jede Theorie der Quantengravitation.
„Vielleicht gibt es eine andere Theorie, die all diese Phänomene beschreiben kann. Das ist möglich, aber bis jetzt ist die Stringtheorie der beste Rahmen, den wir haben.“
Story von Kurt Pfitzer