Roger Penrose – Was bedeutet Quantentheorie?

Quantentheorie und der Tanz mit der Relativität: Penroses Vision. Die Quantentheorie hat lange Zeit mit ihrer Fähigkeit geblendet, das Verhalten der kleinsten Teilchen zu erklären, doch sie kollidiert bekanntlich mit den riesigen, umfassenden Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie, die ganze Galaxien und das Gefüge der Raumzeit beherrschen. Im Mittelpunkt des Rätsels steht eine tiefgreifende Frage: Was bedeutet die Quantentheorie wirklich, und können ihre Regeln mit denen der Relativität koexistieren? Die Quantenwelt besteht darauf, dass Teilchen dank des Superpositionsprinzips in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren können. Aber dieses Prinzip führt zu bizarren Szenarien – denken Sie an Schrödingers Katze, die sowohl lebendig als auch tot ist, oder an ein einzelnes Objekt, das an zwei Orten existiert – Dinge, die in unserer täglichen Realität nie auftauchen. Das Problem wird noch komplizierter, wenn die Schwerkraft, wie sie von der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, ins Spiel kommt. Die Relativitätstheorie betrachtet die Schwerkraft nicht als Kraft, sondern als die Krümmung der Raumzeit selbst, die durch Masse und Energie geformt wird. Was passiert also, wenn ein Quantenobjekt so schwer ist, dass seine eigene Schwerkraft nicht ignoriert werden kann? Stellen Sie sich ein Quantenexperiment auf einer Tischplatte vor, aber jetzt ist die subtile Anziehungskraft der Schwerkraft signifikant. Die Quantenregeln lassen Sie die Schwerkraft als eine weitere Kraft behandeln, aber Einsteins radikale Ansicht – dass die Schwerkraft von der Beschleunigung nicht zu unterscheiden ist – erfordert eine tiefere Abrechnung. Transformationen zwischen verschiedenen Bezugsrahmen bedeuten, dass sich die Wellenfunktion, das mathematische Herz der Quantentheorie, in einer Weise verschiebt, die nicht ignoriert werden kann, wenn es eine Überlagerung von zwei verschiedenen Gravitationsfeldern gibt. Dies führt zu der seltsamen Vorstellung von „zwei verschiedenen Vakuen“ – einem Konzept aus der Quantenfeldtheorie, das auf unmögliche Überlagerungen hinweist und darauf hindeutet, dass der aktuelle Rahmen unvollständig ist. Dieses Vakuumdilemma bedeutet, dass die Quantenüberlagerung nicht ewig dauern kann. Es gibt eine berechenbare Zeitgrenze, nach der das System eine einzige Realität „wählen“ muss. Dies deutet auf die Notwendigkeit neuer Regeln hin - die Quantentheorie kann in ihrer jetzigen Form nicht die ganze Geschichte sein, wenn es um die Schwerkraft geht. Die meisten Physiker würden argumentieren, dass die Quantenmechanik grundlegender ist und dass die Schwerkraft in ihren Rahmen passen sollte, vielleicht durch die Erfindung einer Quantentheorie der Schwerkraft. Aber es gibt ein zwingendes Argument dafür, die Quantentheorie und die allgemeine Relativitätstheorie gleich zu behandeln, da jede von ihnen grundlegende Prinzipien hat, die zu mächtig sind, um sie zu ignorieren oder einfach der anderen unterzuordnen. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt schließlich Schwarze Löcher und andere kosmische Phänomene voraus, die die Newtonsche Physik nie konnte. Der Weg nach vorn könnte eine Verbindung von Gleichen sein – eine neue, tiefere Theorie, die das Beste aus der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie herausholt und beide bei Bedarf modifiziert. Es gibt sogar einen provokativen Vorschlag, dass in den frühesten Momenten des Universums die klassische Physik ausgereicht haben könnte, wobei die Quantengravitation nur in den extremsten Umgebungen wie Schwarzes-Loch-Singularitäten eine Rolle spielt. Die Suche nach dieser harmonischen Vereinigung geht weiter, eine Theorie, die schließlich enthüllen wird, was Quantentheorie im großen Gefüge des Kosmos bedeutet. Bis dahin bleibt der Tanz zwischen dem sehr Kleinen und dem sehr Großen eines der größten Abenteuer der Wissenschaft.