Notwendige Vereinheitlichung der Physik

Ohne eine Lösung des ›Problems der Zeit‹ können Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie nicht vereinheitlicht werden

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Durch das ›Problem der Zeit‹ wird die Unverträglichkeit von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie auf einen Punkt gebracht.

Claus Kiefer bemerkt:

» In der allgemeinen Relativitätstheorie bilden Raum und Zeit eng miteinander verknüpfte, dynamische Objekte. Die Quantenmechanik beruht dagegen auf Newtons absoluter Zeit. «

Mit anderen Worten: Die Allgemeine Relativitätstheorie beruht auf einer flexiblen Zeit, weil ihre Zeit an jedem Ort im Raum unterschiedlich schnell abläuft, je nach dortigem Gravitationseinfluss. Wohingegen die Quantenmechanik auf einer Zeit beruht, die an jedem Ort im Raum gleich schnell abläuft.

Lee Smolin äußert dazu:

» Mehr und mehr habe ich das Gefühl, dass sich Quantentheorie und allgemeine Relativitätstheorie in Bezug auf das Wesen der Zeit in schwerem Irrtum befinden. « (Gibt es im Zitat auch eine Begründung für sein Gefühl?)

Das ›Problem der Zeit‹ können wir im Folgenden auch noch etwas konkreter fassen und damit zu seiner Lösung beitragen.

Elementarteilchen in der Quanten-Fluss-Theorie
Die „innere“ und „äußere“ Feinstruktur der Elementarteilchen entschlüsseln

Dies kann ganz konkret in Experimenten beobachtet werden. Denn es ergibt sich ein scheinbarer Widerspruch bezüglich des Verhaltens von Elementarteilchen, wenn sie sich in einem Gravitationsfeld an einem Ort mit geringerer Gravitation oder an einem anderen Ort mit höherer Gravitation befinden.

Bei höherer Gravitation schwingt ein Elementarteilchen im inneren schneller – Comptonfrequenz –, weil es mehr Energie trägt, obwohl die Zeit dort im Gravitationspotenzial langsamer läuft, als bei niedrigerer Gravitation. Dies erscheint als Widerspruch, weil eine langsamer laufende Zeit einen Zeitlupeneffekt zur Folge haben sollte, bei dem sich auch sämtliche Schwingungen verlangsamen.

Dies alles ist nur zu verstehen, wenn wir die Feinstruktur der Elementarteilchen, des Vakuums und des räumlichen Gravitationspotenzials entschlüsseln. Um eine Lösung des Problems der Zeit zu finden, auch konkret im Leptonen-Modell, müssen grundlegende Annahmen der heutigen Physik überdacht und neu gefasst werden. Das bedeutet, es sind tiefgreifende Paradigmenwechsel in Bezug auf die Quantenmechanik und in Bezug auf die Relativitätstheorie notwendig.

Der daraus folgende Ansatz zur Formulierung einer ›Neue Physik‹ führt zur hier beschriebenen fraktalen Quanten-Fluss-Theorie, die das Problem durch die Unterscheidung von Zeit und Alterung löst.

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Eine sinnvolle Beschreibung der Quantengravitation zu finden ist die Grundlage für die Lösung des , wie wir im vorherigen Abschnitt vermutet haben.

Einige Physiker scheinen mittlerweile etwas entmutigt und desillusioniert im Hinblick darauf, ob es wirklich möglich ist, die Gravitation zu quantisieren, wir also einem Phantom hinterher jagen. Oder sie stellen auch in Frage, ob diese Notwendigkeit überhaupt besteht, was sicher auch interessant ist.

Ich denke aber, ohne die Quantengravitation kommen wir nicht an die Beantwortung vieler grundlegender Fragen der Physik, und sogar unseres Lebens, heran. Denn gerade die Quantengravitation soll uns ja eine Physik aus einem Guss bescheren, die die Schwierigkeiten überwindet, unsere heutigen Haupttheorien, wie auf dieser Seite eingangs erläutert, in einer Physik zu vereinen, die nicht scheinbar widersprüchlich daher kommt und damit offenbart, dass wir sehr grundlegende Dinge in der Welt nicht verstanden haben.

Domenico Giulini meint zur heutigen Situation:

» Die Schnittstelle zwischen Gravitationstheorie und Quantenmechanik wirft hochinteressante und schwierige konzeptuelle Fragen auf, die beide Theorien gleichermaßen betreffen. Dabei haben wir es bisher nur mit der denkbar einfachsten Situation zu tun, nämlich einem quantenmechanischen System in einem äußeren Gravitationsfeld, etwa dem der Erde. «

Für den Angang dieser schwierigen konzeptionellen Fragen bietet das ›Problems der Zeit‹ in seinen unterschiedlichen Facetten und besonders, wenn wir es zuspitzen, eine gute Möglichkeit. Wir können es aber nur lösen, wenn wir wirklich grundlegend anders denken – vermeintliche Tabus tief überdenkend in Frage stellen –, ohne die wirklich wichtigen und erhaltensnotwenidgen Eckpfeiler der Physik aus den Augen zu verlieren.

Wenn wir uns weiter mit Experimenten zur Quantengravitation und deren Erklärung beschäftigen, sieht Giulini gute Chancen:

» Ein physikalisches Verständnis der dabei [– beim Versuch der Quantisierung –] implizit gemachten Annahmen ist aber so gut wie nicht vorhanden. An dieser Stelle kann das hier geschilderte Vorgehen konstruktive Beiträge liefen, nicht zuletzt wegen der realistischen Aussicht auf experimentelle Entscheidbarkeit der aufgeworfenen Fragen durch die anhaltend rasante Entwicklung der Interferometrie mit Materiewellen. Auch damit wäre man zwar immer noch weit vom eigentlichen Kerngebiet der Quantengravitation entfernt, darf aber dennoch hoffen, wertvolle Hinweise auf die notwendigen begrifflichen Anpassungen zu bekommen, nach denen die Forschung auf dem Gebiet der Quantengravitation so händeringend sucht und denen innerhalb der Grenzen der Phantasie mit dem alleinigen Kriterium der formalen Konsistenz augenscheinlich nicht beizukommen ist. «

Ich bin sehr dankbar, dass Domenico Giulini – und seine Kollegen – so grundsätzlich an die Untersuchung der Korrektheit des Einstein’schen Äquivalenzprinzips herangeht und er die entscheidende Frage dann auch auf das ›Problem der Zeit‹ kondensiert.

Diesbezüglich finde ich es sehr bemerkenswert, dass Louis de Broglie dieser scheinbare Widerspruch des ›Problems der Zeit‹ schon 1924 aufgefallen zu sein scheint. Wahrlich ein aufmerksamer Beobachter und großer Denker!

So stellt sich die zu entwickelnde Quantengravitation als zutiefst als mit der dynamisch schwingenden Struktur des Vakuums, der Elementarteilchen und mit deren Bedeutung für den Verlauf der Zeit verbunden heraus. Nicht sehr überraschend und in der Physik sicher eines der interessantesten Dinge.

Die emergente Quantengravitation der Quanten-Fluss-Theorie

Die Formulierung der Lösung des Problems der Quantengravitation der Elementarteilchen gelingt in der fraktalen Quanten-Fluss-Theorie durch das Verständnis der dynamischen Struktur sowie des Zusammenhalts der Wirkungsquanten-Strings der Elementarteilchen und deren daraus folgenden Wirkung auf ihre Umgebung.

Die Gravitation selber kommt dabei durch eine zufallsbehaftete Störung der umliegenden Strukturen aus Wirkungsquanten-Strings zustande, deren Bewegungsbahn zur anziehenden Masse hin gebeugt wird, wie Licht in einem Gravitationspotenzial.

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Neue Analysen der Situation am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs aus Sicht der Quantenphysik legen nahe, dass dort eine „Feuerwand“ existiert. Diese hat zur Folge, dass dort Information verloren geht, was die Quantenphysik verbietet.

Die Lösung dieses Problems sollte demnach zur Vereinheitlichung der Physik führen.

» Die Theoretiker müssen ihre grundlegenden Annahmen über das Universum sowie die Natur von Raum und Zeit überdenken. «

Das Szenario der Feuerwand am Ereignishorizont ist dem Szenario der hier entwickelten fraktalen Quanten-Fluss-Theorie sehr ähnlich.

(In Arbeit …)

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Die bisherigen Erklärungsmodelle liefern keine eindeutig passenden Erklärungen aller beobachteten Facetten dieses Phänomens

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Das Phänomen der Dunklen Materie stellt sich in seinen verschiedenen Beobachtungsszenarien erstaunlich unterschiedlich dar.

Grundsätzlich geht es darum, dass die beobachtete Anziehung großer Massen von den Erwartungen abweicht, die sich aufgrund der bisher bekannten und eigentlich sonst auch ziemlich gut überprüften Allgemeinen Relativitätstheorie sowie durch die Lichtabstrahlung der sichtbaren im Raum verteilten Massen ergibt. Es muss also einen Grund dafür geben, warum die Gravitation auf den großen Skalen der Galaxien etwas anders funktioniert.

In der akademischen Physik werden derzeit hauptsächlich zwei Erklärungsmodelle diskutiert:

Und beide unterscheiden sich recht grundsätzlich.

Dunkle Materie
Unbekannte und unsichtbare Elementarteilchen
Recht kurz erklärt gehen wir bei der Dunkle Materie davon aus, dass es bisher unbekannte Elementarteilchen gibt, die quasi „unsichtbar“ sind, weil sie kaum mit der uns bekannten Materie und dem Licht interagieren. Diese Elementarteilchen machen sich, so die Annahme, überwiegend durch ihre gravitative Wirkung bemerkbar, die wir dann durch das Phänomen der Dunklen Materie beobachten.

MOND
Eine Anpassung der Formeln bei geringer Gravitation
Bei MOND gehen wir hingegen davon aus, dass die Gravitationsgesetze bei sehr geringer Gravitation anders zu Formulieren sind, als wir es durch das Newtonsche Gravitationsgesetzt oder durch die Allgemeine Relativitätstheorie kennen. Die Formeln werden also modifiziert, ohne einen genauen Grund für die Änderung zu kennen, soweit mir bekannt; in meinen Augen also probehalber. Sie werden bestimmten Beobachtungen angepasst und dann wird geschaut, ob dies alle Beobachtungen erklären kann.

Erklärungen, die nur bedingt passen
Mittlerweile gibt es recht umfangreiche und ausgeklügelte Beobachtungen des Phänomens der Dunklen Materie.

Im Verlauf der letzten Jahre und Jahrzehnte wurde intensiv geforscht, welche der beiden konkurrierenden Erklärungsversuche denn möglichst viele, oder gar alle, Beobachtungen erklären kann. In den Jahren sind die Wissenschaftler dabei durch ein Wechselbad der Gefühle gegangen, das kaum seinesgleichen findet. Die eine Beobachtung bestätigte das Gravitationsmodell der Dunklen Materie und die andere Beobachtung das von MOND. Ein wirkliches Wechselbad der Gefühle in der Physik, dass den einen oder anderen Physiker frustriert und manch einen, wie mich, auch fasziniert und ein wenig amüsiert hat, gestehe ich.

Dabei wurden die Beobachtungsszenarien und Methoden immer ausgebuffter.

Zu Beginn beobachteten die Astrophysiker die Sternbewegungen am Rande von Galaxien und die Galaxiebewegungen in kleineren Galaxiensystemen und in ganzen Galaxienhaufen. Heute werden ergänzend die Bewegungen der Sterne in Zwillingssternsystemen beobachtet, deren Sterne sehr weit voneinander entfernt rotieren und sich daher nur mit sehr geringer Gravitation anziehen. Auch wird mit Hilfe von schwachen Gravitationslinseneffekten geschaut, wie weit hinaus im All um Galaxien herum die Gravitationseffekte sich wie verändern, um zwischen den beiden Erklärungsmodellen zu unterscheiden.

Widersprüche schon innerhalb eines Erklärungsmodells
Nach der Beobachtung der Zwillingssternsysteme gibt es MOND dort nicht. Es gelten bei sehr geringer Gravitation in Zwillingssternsystemen die Newtonschen Gesetze beziehungsweise die Allgemeine Relativitätstheorie.(Verweis) Hingegen zeigen die schwachen Gravitationslinseneffekte, dass wir die veränderten Gesetze von MOND selbst weit außerhalb von Galaxien noch ziemlich genau beobachten können.(Verweis)

Es kommt also wirklich widersprüchliches heraus, selbst in Bezug auf ein und den selben Erklärungsansatz

Die Bewegung der Sterne in den beobachteten Zwillingssternsystemen passen zum Modell der Dunklen Materie, wie auch die Bewegung der Sterne am Rande von Galaxien. Hingegen passen die Beobachtungen der schwachen Gravitationslinseneffekte nicht zum Modell der Dunklen Materie, deren Wirkung weit außerhalb der Galaxien einen anderen Gravitationsverlauf nehmen sollte, als die Beobachtungen zeigen.(Verweis) Und ganz grundsätzlich fehlt von den Elementarteilchen der Dunklen Materie bisher auch jede Spur.(Verweis)

Wie passt das alles nun zusammen?

Die emergente Quantengravitation der Quanten-Fluss-Theorie
Gravitative Effekte des Gravitationspotenzials des weiträumigen Vakuums
Die fraktale Quanten-Fluss-Theorie beschreibt die Gravitation in Form einer Quantengravitation der Elementarteilchen, die sich als ein emergentes Phänomen der Quantengravitation darstellt.

Die Gravitation bekommt durch diese Sicht der Zusammenhänge ein paar Besonderheiten, die nach meinem Eindruck gut zu den Beobachtungen passen sollten.

Zunächst ergibt sich aus der Quantengravitation der Elementarteilchen die Lichtablenkung der Schwarzschildlösung oder Schwarzschild-Metrik der Allgemeinen Relativitätstheorie. Aufgrund des Elementarteilchen-Modells und konkreter des Leptonen-Modells der Quanten-Fluss-Theorie lässt sich daraus auch die Gravitation der Allgemeinen Relativitätstheorie ableiten. Die Raumzeitkrümmung entspricht dabei dem Gravitationspotenzial und dies einem Energiedichtegradienten des Vakuums. Die Energiedichte des Vakuums verändert sich also mit dem Abstand zur Masse und ist im Allgemeinen an einem Ort im dreidimensionalen Raum nicht in allen Richtungen gleich, sondern in radialer und tangentialer Richtung zur Masse unterschiedlich.

Energiedichteunterschiede im Vakuum
Zusätzliche Gravitationseffekte durch eine etwas ungleich verteilte Vakuumenergie
Die emergente Quantengravitation verhält sich in der Nähe kompakter Massen genau wie bekannt. So wäre dies auch bei Doppelsternsystemen, die sich weit auseinander mit geringer Gravitation umkreisen. Denn der aufsummierte Energiedichteunterschied der Energie des Vakuums „zwischen“ den beiden Sternen zur Energie außen herum ist sehr gering.

Der Energiedichtegradienten des Vakuums hat aber einen entscheidenden Effekt, wenn es um die weiträumige Gravitation geht, wo sehr sehr viel Vakuum mit höherer Energie in und um die anziehende Massen herum im Verhältnis zur niedrigeren Energiedichte des Vakuums viel weiter draußen im Raum geht. Hier sollte sich ein merkbarer Effekt einstellen, wenn es um den Rand einer Galaxie und um den intergalaktischen Raum geht. Und dieser Effekt sollte im intergalaktischen Raum anhaltend sein, wie es beobachtet wird.

So erklärt die emergente Quantengravitation komplexe Gravitationseffekte, die durch die aktuellen Erklärungsversuche der Dunklen Materie und MOND nicht vollständig zu erklären sind. Wie dies im Einzelnen funktioniert, beschreiben wir auf der Seite Phänomen der Dunklen Materie.

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Warum erscheint unser Kosmos nicht gekrümmt, sondern im Durchschnitt flach

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Im Grundsatz bei der Lösung des bleibend, können wir auch beim Problem der kosmologischen Konstanten feststellen:

Nach dem Relativitätsprinzip entspricht jede Energie einer Masse nach Albert Einsteins weltberühmter Formel im Verhältnis \( E = m \cdot c^{2} \). In der Quantenmechanik wird das Vakuum als recht energiereich beschrieben. Aufgrund des Relativitätsprinzips sollte es daher Masse besitzen und gravitativ wirken.

In der heutigen Physik wird hingegen, ohne zwingenden Grund, angenommen, die Vakuumenergie hätte im Grunde keinen Gravitationseffekt und, wenn doch, dann ist dieser bisher unkalkulierbar. Diese Annahme widerspricht dem Relativitätsprinzip und die Physik ist aufgefordert schlüssig zu begründen, warum kein Gravitationseffekt existiert oder dieser verborgen bleibt.

Gordon Kane schreibt dazu:

» All unsere heutigen Theorien scheinen zu besagen, dass das Universum eine ungeheure Konzentration an Energie enthält – selbst in den leersten Regionen des Weltraums. Die Gravitationseffekte dieser so genannten Vakuumenergie hätten das Universum schon längst entweder eng einrollen oder noch viel mehr aufblähen müssen. Das Standardmodell [der Kosmologie] vermag dieses Rätsel – das Problem der kosmologischen Konstanten – nicht zu lösen. «

Wie kann es also sein, dass die Vakuumenergie keinen gravitativen Effekt auf den gesamten Kosmos hat oder wir diesen zumindest nicht wahrnehmen?

Die emergente Quantengravitation der Quanten-Fluss-Theorie
Energieerhaltung des weiträumigen Gravitationspotenzials nach dem Sandkastenmodell
Die emergente Quantengravitation der Quanten-Fluss-Theorie liefert einen fundamentalen Grund dafür, warum die Gravitation des Vakuums in der Betrachtung des gesamten Kosmos scheinbar nicht beobachtet wird.

Dieser Grund liegt in der Energieerhaltung des weiträumigen Gravitationspotenzials, das mit einem Sandkastenmodell veranschaulicht werden kann. Die Energieerhaltung des weiträumigen Gravitationspotenzials bedingt, dass die mittlere Energieverteilung über ein riesiges Volumen konstant bleibt. Denn, wenn die Energie des Vakuums an einer Stelle zunimmt, muss sie an anderer Stelle abnehmen.

Dies kann nicht in einer Form geschehen, dass sich die Energie auf der einen Seite des Kosmos komplett ansammelt und dann folglich auf der anderen Seite verschwindet, wie der Sand in einem Sandkasten, oder in der Mitte und am Rand verschwindet. Denn der Ausgangspunkt des Sandkastenmodells ist, das der Sand – also die Energie – ursprünglich einigermaßen gleich verteilt war. Von hier aus können nur mehr oder weniger lokale Ansammlungen der Energie entstehen, zwischen denen sich dann Energiesenken bilden.

Dadurch ist die Vakuumenergiedichte, und damit auch die Raumzeitkrümmung, des Kosmos im Mittel flach. Das bedeutet, dass auf den gesamten Kosmos bezogen keine Gravitationseffekte bemerkbar sind, die den Raum gekrümmt erscheinen lassen.

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Es scheint völlig unklar, welcher Natur diese mysteriöse Energie ist

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Dunkle Energie (In Arbeit …)

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Punktförmige Elementarteilchen, Schwarze Löcher, der Urknall und Co.

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(In Arbeit …)

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In Arbeit …

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• Ein ausführlicher Artikel über die Gluonen und die Probleme der QCD findet sich in Ent, »Der Klebstoff der Welt«. Die FrQFT kann wichtige dieser Fragen, wie zum Confinement und der Gluonen-Energie, zumindesten qualitativ beantworten.

(In Arbeit …)

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Die Werte der Naturkonstanten erscheinen recht willkürlich

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… es ist erstrebenswert, dass sich die Werte der Naturkonstanten aus strukturellen Zusammenhängen ergeben. (In Arbeit …)

Natürlichkeitsproblem (In Arbeit …)

→   Raum, Zeit, Alterung, Frequenz und Energie