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Astronomie|Physik

Wieder keine Hinweise auf den Quantenschaum der Raumzeit

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Das supermassive schwarze Loch inmitten der Galaxie stößt hochenergetische Gammastrahlenjets in zwei entgegengesetzte Richtungen aus. Bei den Galaxien Markarian 421 und Markarian 501 ist jeweils einer der Jets exakt auf die Erde gerichtet. (Bildquelle: NASA / Chandra X-ray Observatory / M. Weiss)
Einige der Theorien, die versuchen, alle physikalischen Gesetze “unter einen Hut” zu bekommen, gehen davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant ist. Dem widerspricht ein Resultat, das Floyd Stecker vom Goddard Space Flight Center der NASA aus der Analyse kosmischer Gammastrahlen erhalten hat. Stecker präsentiert seine Arbeit in der Fachzeitschrift Astroparticle Physics (Bd. 20, S. 85).

Der “heilige Gral” der Physik ist die bisher nicht gefundene “Theorie von Allem”. Physiker glauben, dass alle fundamentalen Naturkräfte nur verschiedene Erscheinungsformen einer einzigen Kraft sind und somit auch nur eine Theorie benötigt wird, um alle physikalischen Erscheinungen zu beschreiben.

Für diesen Glauben gibt es gute Gründe. James Clerk Maxwell (1831 ? 1879) war es gelungen, alle elektrischen, magnetischen und optischen Gesetze auf nur vier Gleichungen zurückzuführen. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts haben Physiker dann Maxwells elektromagnetische Kraft mit der schwachen Kernkraft vereinigt, die den radioaktiven Zerfall verursacht. Außerdem kann man diese beiden Fundamentalkräfte und die starke Kernkraft, die die Atomkerne zusammenhält, mit der Quantenmechanik in Einklang bringen, die bei winzig kleinen Abständen berücksichtigt werden muss.

Es gibt zahlreiche Versuche, die vierte Fundamentalkraft ? die Gravitation ? mit der Quantenmechanik und auch mit den anderen drei Kräften zu vereinigen. Einige Varianten dieser Theorien gehen davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht für alle elektromagnetischen Wellen die gleiche ist, sondern von der Energie der jeweiligen Strahlung abhängt.

Der Grund dafür ist, dass Photonen den “Quantenschaum der Raumzeit” abhängig von ihrer Energie verschieden stark spüren. Die Quantengravitationstheorien sagen nämlich voraus, dass die Raumzeit “gequantelt” ist. Unterhalb einer Länge von etwa zehn Billionstel Trilliardstel Millimetern (10 hoch minus 32 mm) hat sie demnach eine schaumartige Struktur. Bisher gibt es aber nur wenig überzeugende Indizien für die Existenz dieses “Quantenschaums”.

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In einer früheren Arbeit hatte Stecker zusammen mit dem Physiknobelpreisträger Sheldon Glashow berechnet, dass die Wirkung des Quantenschaums auf hochenergetische kosmische Gammastrahlung nachweisbar sein sollte. Solch eine Strahlung wird von supermassiven schwarzen Löchern abgestrahlt.

Gammastrahlung oberhalb einer bestimmten Energiegrenze kollidiert im Universum mit infraroten Photonen. Die Gammastrahlung wird dabei gemeinsam mit den infraroten Photonen zerstört und es entstehen Elektron-Positron-Paare.

Stecker und Glashow hatten nun berechnet, dass der Quantenschaum die Geschwindigkeit der hochenergetischen Gammastrahlung so weit herabsetzen würde, dass die Zerstörung ausbleibt. Denn die mit der Zerstörung der Strahlung einhergehende Erzeugung des Teilchenpaares erfordert eine exakt abgestimmte Energiemenge. Die Analyse der auf der Erde registrierten Gammastrahlung kann somit die Entscheidung liefern, ob der Quantenschaum existiert und ob die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant ist.

Stecker hat jetzt die Gammastrahlung der beiden Galaxien Markarian 421 und Markarian 501 analysiert. In der Mitte beider Galaxien sitzt jeweils ein supermassives schwarzes Loch, das hochenergetische Gammastrahlen in Richtung Erde schickt. Stecker fand keine Hinweise auf die Existenz des Quantenschaums. Es gibt somit ebenfalls keine Indizien für die Nichtkonstanz der Lichtgeschwindigkeit oder ? anders ausgedrückt ? für die Verletzung der so genannten Lorentzinvarianz der Speziellen Relativitätstheorie.

Aus seiner Beobachtung schließt Stecker: “Wenn die Lorentzinvarianz verletzt sein sollte, dann so wenig, dass der Nachweis außerhalb unserer gegenwärtigen technischen Möglichkeiten liegt. Oder die Ergebnisse sagen uns, dass die korrekte Version der Quantengravitation oder der Stringtheorie der Lorentzinvarianz genügen muss.” Die Stringtheorie ist ebenfalls ein Kandidat für die Theorie von Allem.

Axel Tillemans
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