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Loop-Quantengravitation


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Die Theorie der Loop-Quantengravitation auch Loop-Theorie genannt ist ein Ansatz für eine der Quantengravitation d. h. eine Theorie zur Vereinigung Quantenphysik mit der allgemeinen Relativitätstheorie . Diese Vereinigung ist eine der größten der heutigen Physik. Dabei wird der Raum als dynamisches quantenmechanisches Spin -Netzwerk beschrieben das durch Diagramme aus Linien Knoten dargestellt werden kann. Eine Konsequenz aus Theorie ist die Quantisierung von Raum und Zeit im Bereich der Planck-Länge (10 -33 cm) bzw. Planck-Zeit (10 -43 s). Der Zeitfluss ist eine Folge Strukturveränderungen dieses Spin-Netzwerks.

Die Theorie der Loop-Quantengravitation ist die weitesten entwickelte Alternative zur String-Theorie . Bereits Anfang der 1970er Jahre schlug Roger Penrose Spin-Netzwerke für eine Theorie der Quantengravitation seine Idee wurde Anfang der 1990er Jahre wieder aufgegriffen und erfolgreich weiterentwickelt.

Inhaltsverzeichnis

Beschreibung der Theorie

Im Rahmen der Loop-Quantengravitation ist der nicht teilnahmsloser Behälter für das in ihn Geschehen sondern selbst ein dynamisches Objekt das Gesetzen der Quantenmechanik gehorcht. Ein Quantenzustand des Raumes wird dabei durch ein von Knoten beschrieben die mit Linien verbunden Den Knoten werden bestimmte Eigenschaften zugeordnet die denen des Spins von Elementarteilchen ähneln. Jedem Knoten lässt sich in Sinne ein Elementarvolumen zuordnen. Die Knotenabstände entsprechen Planck-Länge. Damit enthält ein Kubikzentimeter 10 99 Knoten. Zum Vergleich sei erwähnt dass sichtbare Universum dagegen lediglich 10 85 Kubikzentimeter enthält.

Man beachte dass man sich dieses nicht in den Raum eingebettet vorstellen sollte. Raum als Behälter für das Netz existiert Das Netz selbst ist der Raum. Zwischen Netzknoten befindet sich ebenso wenig Raum wie im Zwischenraum zwischen den Sandkörnern einer Düne befindet.

Elementarteilchen entsprechen Netzknoten mit bestimmten Eigenschaften. Bewegung von Teilchen entspricht dabei einer Verschiebung Knotentypen im Netz.

Durch das Hinzufügen der Zeit als vierten Dimension werden aus den Knoten Linien der Raumzeit und aus den Linien die Knoten verbinden werden Flächen. Man spricht daher einem Spin-Schaum der Raumzeit . Dem Fortschreiten der Zeit entsprechen fortlaufend Veränderungen im Netz wie die Vereinigung von oder die Entstehung mehrere Knoten aus einem Ebenso wie beim Raum sind diese Veränderungen Netz nicht eingebettet in eine Zeit sondern stellen den Zeitfluss selbst dar. Im Bild Spin-Schaumes bedeutet das dass die Schaumflächenstücke nicht Richtung der Zeitachse beliebig ausgedehnt sind sondern bei einem Schaum üblich in alle Richtungen gleich groß sind und an den Berührungskanten ihren Nachbarn enden.

Diese Spin-Netze auch Graphen genannt sind strukturellen Regeln unterworfen und entsprechen einer Art im Rahmen des zugehörigen mathematischen Formalismus. Sie damit zwar eine gewisse oberflächliche Ähnlichkeit mit Feynman-Diagrammen mit denen die Wechselwirkungen zwischen Teilchen beschrieben werden sie sind strukturell grundsätzlich völlig verschieden. Die Bezeichnung Loop-Theorie aus dem Umstand dass in dieser Theorie Strukturen in der Raumzeit eine wichtige Rolle

Ausgangspunkte der Theorie

Ausgangspunkt der Loop-Quantengravitation sind zwei Grundprinzipien allgemeinen Relativitätstheorie:

  • Die so genannte Hintergrundunabhängigkeit: Darunter versteht die Annahme dass die Geometrie der Raumzeit mikroskopischer Ebene dynamisch ist. In diesem Punkt sich die Loop-Quantengravitation von der Stringtheorie deren in einer klassischen Raumzeit formuliert sind.
  • Die so genannte Diffeomorphismus -Invarianz: Damit bezeichnet man den Umstand dass der allgemeinen Relativitätstheorie alle beliebigen Koordinatensystem zur der Raumzeit gleichwertig und geeignet sind.

Der Formalismus der Loop-Quantengravitation wurde über Kombination dieser beiden Prinzipien mit Grundkonzepten der Quantenphysik entwickelt und kommt dabei mit vergleichsweise grundsätzlich neuen Annahmen aus.

Erfolge der Theorie

Die Loop-Quantengravitation ist in der Lage bereits bekannte bzw. vermutete Phänomene korrekt zu

  • Langwellige Gravitationswellen in einer flachen Raumzeit.
  • Die Formel von Jacob D. Beckenstein die Entropie eines schwarzen Lochs proportional zu dessen Oberfläche ist.
  • Die Hawking-Strahlung die Schwarze Löcher emittieren.
  • Eine positive kosmologische Konstante für deren Existenz astronomische Beobachtungen dringende geliefert haben folgt relativ zwanglos aus der

Überprüfbare Vorhersagen der Theorie

  • Aus der Loop-Quantengravitation folgt dass die Lichtgeschwindigkeit von der Wellenlänge des Lichtes abhängt. Die Abweichungen von üblichen Wert fallen besonders dann ins Gewicht die Wellenlänge vergleichbar mit den Knotenabständen und der Planck-Länge wird so dass die Photonen die Quantenstruktur der Raumzeit spüren. Selbst für kosmische Strahlung beträgt der relative Unterschied jedoch lediglich ein Milliardstel. Ein solcher Effekt hätte Laufzeitunterschiede verschiedenen spektralen Strahlungsanteile bei kosmischen Gammastrahlenausbrüchen zur Folge. Der für das Jahr 2006 geplante Gammastrahlen-Satellit Glast (Gamma-ray Large Area Telescope) wäre in der Lage diese Laufzeitunterschiede Ausbrüchen in einer Entfernung von mehreren Milliarden Lichtjahren nachzuweisen.
  • Nach der derzeitigen Theorie sollte die von Protonen mit kinetischen Energien über 10 19 Elektronenvolt im Weltraum aufgrund von Streuung an Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung so gering sein dass sie die nicht erreichen können. Im Widerspruch dazu hat das japanische Agasa-Experiment bereits mehrere solcher Protonen Im Rahmen der Loop-Quantengravitation liegt die Schwelle diese Streuung jedoch bei höheren Protonenenergien in mit der experimentellen Datenlage.
  • Aus der Loop-Quantengravitation folgt eine bestimmte Struktur der erwähnten Hawking-Srahlung Schwarzer Löcher. Eine Untersuchung dieser Strahlung liegt jedoch in weiter

Offene Fragen der Theorie

Der derzeitige Stand der Loop-Quantengravitation lässt Reihe von wichtigen Fragen offen:

  • Noch ist es nicht gelungen die Relativitätstheorie als Grenzfall im Sinne des Korrespondenzprinzips aus der Loop-Quantengravitation herzuleiten.
  • Man geht davon aus dass die gewisse Korrekturen der speziellen Relativitätstheorie für Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zur hat deren Natur jedoch noch unbekannt sind.
  • Eine wichtige Aufgabe einer erfolgreichen Theorie Quantengravitation ist die Vereinigung oder gar Herleitung Grundkräfte der Physik . Auch dieses Problem konnte bisher noch gelöst werden.

Literatur

Lee Smolin: "Quanten der Raumzeit" Spektrum Wissenschaft 3 2004 S. 54-63.



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