Die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantentheorie

Hallo zusammen,

ich möchte mit euch über faszinierende Experimente sprechen, die darauf abzielen, die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantentheorie zu erkunden, insbesondere im Kontext der Quantengravitation.

Ein bemerkenswertes Experiment umfasste die Konstruktion von leichten Pendeln, nur wenige Milligramm schwer, die mit Laserlicht beschossen wurden, um die geringe Schwerkraft zu messen. Diese Schwerkraft war so minimal, dass sie kaum nachweisbar war, was darauf hinwies, dass Quanteneffekte möglicherweise eine Rolle spielten.

Ein weiteres Experiment manipulierte ein Atom, um zwei Aufenthaltsorte zu haben, und maß dann die Gravitation, indem es mit einem Wolframgewicht kombiniert wurde. Dies führte zur Entdeckung erster Quanteneffekte, die auf die Quantengravitation hinweisen.

Zusätzlich wurden Atomuhren entwickelt, die im Bereich von Atomen die Zeitdehnung der Relativitätstheorie messen können. Wenn diese empfindlich genug sind, könnten sie Quanteneffekte zeigen und somit helfen, die Quantentheorie und die Relativitätstheorie zu verbinden.

Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass die bisherigen Objekte in diesen Experimenten nur einige Milligramm schwer waren. Bei genauerer Betrachtung der Planckmasse, die bei etwa 0,021 mg liegt, wird deutlich, dass Quanteneffekte besonders stark auftreten sollten. Es bleibt spannend, wie zukünftige Experimente mit Objekten nahe der Planckmasse weitere Einblicke in die Quantengravitation liefern werden.

Was denkt ihr über diese Experimente und ihre potenzielle Bedeutung für die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantentheorie? Ich freue mich auf eure Gedanken und Diskussionen!

Viele Grüße,

Markus

@mark07
Wo kann man sich denn etwas genauer über die Experimente, die du in deinem EP kurz angesprochen hast informieren?

Ja genau hier hilfreiche Links

Pendelexperiment

Wolframexperiment

Interessant!

mark07 schrieb:potenzielle Bedeutung für die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantentheorie

Das wird uns sicher weiterbringen.
Das erste Experiment ist noch nicht genau genug, aber das zweite scheint wohl ein Hinweis darauf zu sein, dass sich die Gravitation nicht rein klassisch verhält, wenn ich das richtig verstanden habe.
Insofern haben die Theoretiker neue Hinweise, in welche Richtung sie ihre Theorien lenken müssen.

Weiter so! :-)

stefan33 schrieb am 07.12.2023:Insofern haben die Theoretiker neue Hinweise, in welche Richtung sie ihre Theorien lenken müssen.

Theos gibt es ja so einige, woran es mangelt sind Experimente, mit denen man diese auch überprüfen kann. Und hier arbeitet man in der Tat fiberhaft daran, endlich Licht in das Dunkel zu bringen.

Vor 2 Tagen erschien dazu ein Artikel auf scinexx.de, wo diesbezüglich 2 neue Experimente vorgestellt werden:

https://www.scinexx.de/news/physik/ist-die-raumzeit-gequantelt/

Beim ersten geht es um zeitliche Fluktuationen des Gewichts einer Testmasse, im zweiten Experiment soll mit verschränkten Mikrodiamanten eine mögliche Quantelung der Raumzeit untersucht werden. Natürlich sind beide Experimente technisch schwer umsetzbar, aber die daran beteiligten Forscher sind zuversichtlich, sie in absehbarer Zeit realisieren zu können.

Auch auf spektrum.de findet sich ein interessanter Beitrag zum Thema. Hier wird noch einmal der unkonventionelle Charakter der neuen Experimente hervorgehoben. Offenbar versucht Oppenheim erstmals seit langer Zeit die Sache mit der Gravitation wieder "klassisch" anzugehen, anstatt alles zu verquanteln. :D

https://www.spektrum.de/news/eine-weltformel-ohne-quantengravitation/2201277

Immerhin bieten sich damit ganz neue Möglichkeiten was die empirische Überprüfbarkeit angeht, was in solch grundlegenden Fragen immer ein guter Ansatz ist, denn ohne Empirie taugen letztlich die besten Theorien nix.

In einem Kubikzentimeter Planckdichte passt die Milliarden fache Masse des gesamten Universums

mark07 schrieb:In einem Kubikzentimeter Planckdichte passt die Milliarden fache Masse des gesamten Universums

Das halte ich für stark untertrieben.

In Quantenfluktuationen können Materie- und Antimaterie-Teilchen Paare alle mit (positiver Energie)entstehen. Unter bestimmten Bedingungen können so auch Teilchen mit negativer Energie entstehen.
Dies sagt die Heisenberg Unschärferelation. Aus. So könnten im LHC Teilchen mit negativer Energie erzeugt werden.

Aber ein ein Teilchen mit negativer Energie ist doch ein Antimaterie-Teilchen, oder nicht?

stefan33 schrieb:Aber ein ein Teilchen mit negativer Energie ist doch ein Antimaterie-Teilchen, oder nicht?

Nein, ist es nicht. Ob es sich um Materie oder Antimaterie handelt, ist einzig von den Ladungen abhängig. Das zugehörige Antiteilchen zum Elektron (negative Ladung) ist ein Positron (positive Ladung). Beide haben eine positive Masse, und damit auch eine positive Energie.

Teilchen mit negativer Energie, also auch negativer Masse, sind bisher noch hypothetisch. Die Quantentheorie lässt solche Teilchen durchaus zu, aber nur für eine begrenzte Zeit an einem begrenzten Ort, und unter bestimmten Bedingungen. Aber ich denke, das wusstest du schon :)

https://pro-physik.de/nachrichten/quanten-vakuum-mit-negativer-energie

Kleine Ergänzung:

Meine Aussage, dass es sich bei möglichen Teilchen mit negativer Energie/Masse um hypothetische Teilchen handelt, basiert auf diesem deutschsprachigen Wikipedia-Beitrag:

Wikipedia: Exotische Materie

Materie mit negativer Energiedichte kann theoretisch zur Erzeugung von Wurmlöchern oder der Realisierung eines Warp-Antriebs dienen[6]. Es gibt allerdings keine Hinweise auf die Existenz solcher Materie. Insbesondere ist Antimaterie kein Beispiel für Materie mit negativer Masse, da auch Antimaterie Masse und damit eine positive Energiedichte hat.

Da meiner Erfahrung nach die meisten deutschsprachigen Wikipedia-Artikel Bullshit sind, habe ich nochmal gegoogelt, und habe tatsächlich Hinweise gefunden, dass derartige Teilchen bereits reproduzierbar erzeugt wurden.

https://www.scinexx.de/news/technik/physiker-erzeugen-negative-masse/

https://www.laborpraxis.vogel.de/weniger-als-nichts-teilchen-mit-negativer-masse-entdeckt-a-520d23dd6bc9226c3fec29497f09827a/

https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/nachrichten/2010/elektronen-mit-negativer-traeger-masse/

Es gibt da noch zahlreiche weitere Veröffentlichungen, aber ich denke diese drei sollten genügen. Mal wieder zeigt sich, dass der deutschsprachigen Wikipedia nicht zu trauen ist.

Aha.

Ich dachte bisher, dass z.B. das Positron ein Loch im Dirac-Meer ist und damit negative Energie hat.
Fällt dann ein Elektron da rein, würde sich das zu Null mitteln.

stefan33 schrieb:Fällt dann ein Elektron da rein, würde sich das zu Null mitteln.

Bei der Paarvernichtung von Elektron und Positron entsteht immer Strahlung, somit landen wir nicht bei Null, es bleibt was übrig.

Unter dem folgenden Link ist das sehr anschaulich dargestellt (Feynmandiagramm der Annihilation)

Wikipedia: Annihilation

Stimmt, es mittelt sich nicht zu Null, sondern es wird die doppelte Energie frei, das Elektron fällt von +E zu -E.

Auch wenn die gesamte räumliche Ausdehnung unendlich ist und das Universum somit nicht „größer“ werden kann, sagen wir dennoch, dass sich der Raum ausdehnt, weil lokal die charakteristische Entfernung zwischen Objekten zunimmt . Wenn ein unendlicher Raum wächst, bleibt er unendlich.

Quelle: Zeit online https://www.zeit.de/zeit-wissen/2010/02/Dossier-Kosmos/seite-6
1. Annahme:
Wenn man dann mal davon ausgehen würde, dass mit der Raumausdehnung auch der relative Masse+ Energiegehalt pro sich ausdehnendem Raumvolumen abnimmt, dann würde damit auch die lokale Raumzeitkrümmung immer geringer werden.
2. Annahme:
Bei massivsten Einwirkungen auf die Raumzeitkrümmung durch höchste Massen/Energiedichteeinwirkungen (Bsp. Schwarze Löcher)
bekommen wir als (theoretisch/messbares(?) Resultat einen massiv verlangsamten Zeitvektor. D.h. der dort wirksame Zeitverlauf würde sich im relativen Vergleich zu einem aussenstehenden Beobachter massiv verlangsamen.
Conclusio:
In Raumarealen mit erheblich ausgedünnter Masse/Energiedichte haben wir einen in Relation zu unserem Messort eine sehr geringe
Raumzeitkrümmung mit beschleunigter Raum/Zeitdehnung. Analog zur Situation des Urknalls vor 13,82 milliarden Jahren. Darau kann gefolgert werden, dass es in einem unendlichen Raum zu kaskadiert wellenartigen Raum/Zeitdehnungsbeschleunigungen allein dadurch kommen kann, dass wir in diesen Bereichen eine kaum vorhandene Raumzeitkrümmung haben.

JoWe schrieb am 05.11.2024:Wenn man dann mal davon ausgehen würde, dass mit der Raumausdehnung auch der relative Masse+ Energiegehalt pro sich ausdehnendem Raumvolumen abnimmt, dann würde damit auch die lokale Raumzeitkrümmung immer geringer werden.

Laut Standardmodell ist diese Annahme nicht haltbar. Die dunkle Energie, die den Großteil der Energiedichte ausmacht, verdünnt sich nicht. Und Gravitativ gebundene Raumstrukturen bis hin zu Galaxienclustern entfernen sich nicht voneinander. Auf die lokalen Verhältnisse hat die Expansion also kaum einen Einfluss.

JoWe schrieb am 05.11.2024:Analog zur Situation des Urknalls vor 13,82 milliarden Jahren.

Inwiefern wäre das analog?

JoWe schrieb am 05.11.2024:Darau kann gefolgert werden, dass es in einem unendlichen Raum zu kaskadiert wellenartigen Raum/Zeitdehnungsbeschleunigungen allein dadurch kommen kann, dass wir in diesen Bereichen eine kaum vorhandene Raumzeitkrümmung haben.

Wie genau folgert man das daraus? (Mal davon abgesehen, dass Annahme 1 eh nicht zutreffend ist.)

Arrakai schrieb:Laut Standardmodell ist diese Annahme nicht haltbar.

... war auch mein erster Gedanke :)

Dann habe ich nochmal nachgedacht ... die Energiedichte der DM und der Materie nehmen wegen der Raumexpansion ja tatsächlich ab. Die Energiedichte der DE ist hingegen konstant (nach derzeitigem Kenntnisstand). Das heißt, die Energiedichte im Universum gesamt betrachtet (DE, DM, Materie) nimmt tatsächlich ab.

Aber wie du bereits festgestellt hast, hat das auf die lokale Raumzeitkrümmung keinen nennenswerten Einfluß.

JoWe schrieb am 05.11.2024:Analog zur Situation des Urknalls vor 13,82 milliarden Jahren.

Die Situation am Urknall war eine gänzlich andere. Die Anfangsphase unseres Universums wurde von DM und Materie dominiert, DE spielte da noch keine Rolle. Materie und DM bewirkte zunächst eine Verlangsamung der Expansion, während der Anteil von DE wegen der konstanten Energiedichte stetig zunahm.

Irgendwann war dann der Punkt erreicht (man schätzt so nach 5-6 mrd. Jahren), dass die DE mit ihrer quasi "antigravitativen" Wirkung das Zepter übernahm, und die Expansion wieder beschleunigte.

An dieser Stelle sei nochmal darauf hingewiesen, dass man die verschiedenen Energiearten nicht einfach in einen "Topf" werfen kann, da sie sich hinsichtlich ihrer Wirkung deutlich unterscheiden.

Nach Einsteins E=mc² entspräche ja die DE einem Massenaquivalent und hätte demnach auch eine gravitativ anziehende Wirkung. Tatsächlic tut sie aber das genaue Gegenteil, daher spricht man auch von einer "negativen Energie".

JoWe schrieb am 05.11.2024:In Raumarealen mit erheblich ausgedünnter Masse/Energiedichte haben wir einen in Relation zu unserem Messort eine sehr geringe
Raumzeitkrümmung mit beschleunigter Raum/Zeitdehnung. Analog zur Situation des Urknalls vor 13,82 milliarden Jahren. Darau kann gefolgert werden, dass es in einem unendlichen Raum zu kaskadiert wellenartigen Raum/Zeitdehnungsbeschleunigungen allein dadurch kommen kann, dass wir in diesen Bereichen eine kaum vorhandene Raumzeitkrümmung haben.

Was damit gemeint sein soll, entzieht sich leider meiner begrenzten Vorstellungskraft, wäre nett, wenn du das nochmal verständlich formulieren könntest. :(

Und hier noch eine Quelle meiner zahlreichen Behauptungen:

Dunkle Energie | Grundlagen (Harald Lesch)

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PS: Ist eigentlich schon die Frage geklärt, ob die DE auch einen Anteil an der Raumzeitkrümmung hat? Womöglich "entkrümmt" sie ja sogar die Raumzeit :D

Arrakai schrieb am 16.11.2024:Und Gravitativ gebundene Raumstrukturen bis hin zu Galaxienclustern entfernen sich nicht voneinander.

Könnte sein dass man hier einen Denkfehler macht? Es klingt immer so als ob unter dem Einfluß von Gravitation generell kein neuer Raum entsteht. Könnte es nicht sein dass überall im Universum gleichmäßig neuer Raum entsteht aber Gebilde die um ein Schwerkraftzentrum kreisen nicht größer werden sondern ihre Struktur unverändert beibehalten? Oder anders ausgedrückt duch die Schwerkraftwirkung um genau den gleichen Faktor kleiner werden die die Raumausdehnung sie größer macht?

Lupo54 schrieb:Könnte es nicht sein dass überall im Universum gleichmäßig neuer Raum entsteht aber Gebilde die um ein Schwerkraftzentrum kreisen nicht größer werden sondern ihre Struktur unverändert beibehalten?

Ja, das trifft es ziemlich gut. Es entsteht permanent neuer Raum. Aber die Gravitation ist eben um ein vielfaches Stärker. Wie gesagt, selbst Galaxiencluster bleiben laut Standardmodell gravitativ gebunden.