Wie unrecht hatte Einstein - höchstens?

Neues vom Zusammenhang zwischen Quantengravitation und Lichtgeschwindigkeit

Die Aussage, dass alle Beobachter stets dieselbe Lichtgeschwindigkeit im Vakuum messen, und zwar unabhängig von der Energie der Photonen (die so genannte Lorentz-Invarianz), ist ein Grundpfeiler von Einsteins spezieller Relativitätstheorie. Allerdings verhält es sich mit diesem Gedankengebäude wie mit allen anderen Theorien: Es besitzt einen Gültigkeitsbereich, und der erstreckt sich eher auf das Universum im Großen als auf die Quantenwelt im Kleinen.

Als Quanten- und Gravitationsphysik (aka Relativitätstheorie) entwickelt wurden, lagen deren Anwendungsbereiche noch weit auseinander. Die Struktur des Raumes im Großen und die Struktur der Materie im Kleinen überschneiden sich nur im Extremfall. Bei der physikalischen Beschreibung eines Wasserstoffatoms spielt die Gravitation eine vernachlässigbare Rolle – ebenso ergeht es den Quanteneffekten beim Übergang zur klassischen Welt. Und doch besteht das Universum nun einmal aus Atomen – es muss also Übergänge und Überschneidungen und schließlich auch eine gemeinsame Theorie geben.

Vor der „Theorie von allem“ überlegen die Physiker jetzt allerdings erst einmal, wie sich die Gravitation im Kleinen bemerkbar machen müsste – die Rede ist von der Quantengravitation. Wenn wir uns in die Größenordnung der Planck-Länge zurückziehen, also von 1.62 x 10 hoch minus33cm, dann erwartet man, dass sich Quanteneffekte durchaus auf die Struktur der Raumzeit auswirken müssten. Aber in welcher Form? Dazu gibt es derzeit unterschiedliche Theorien. Etwa die Stringtheorie: sie geht davon aus, dass eindimensionale Fäden der Grundbaustein des Universums sind. Ihre Schwingungszustände entsprechen den uns bekannten Teilchen – und auch noch ein paar unbekannten, denn mathematisch ergibt sich, dass wir offenbar in einer zehndimensionalen Welt leben. Mindestens – womöglich sind es aber auch 11 oder gar 26 Dimensionen. Die uns nicht zugänglichen sechs (oder mehr) Dimensionen sind eben für uns unsichtbar zusammengefaltet.

Keine Energieabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit nachgewiesen

In Konkurrenz dazu steht die so genannte Quanten-Schleifen-Gravitation. Sie geht davon aus, dass auch Raum und Zeit gequantelt sind. Diese Quanten müssten eine Größe haben, die in der Nähe der Planck-Länge festzumachen sein sollte (um ein oder zwei Potenzen streitet man da nicht). Allerdings ist die Planck-Länge in Wirklichkeit eher kurz – das Größenverhältnis im Vergleich zu einem Atom entspricht dem zwischen einem Atom und der Erde. Solche winzigen Ausdehnungen sind nur schwer experimentell zu untersuchen. Aber zum Glück haben wir ja ein riesiges Labor vor unserer Nase, das Universum selbst nämlich, dem ja ohne Zweifel eine gewisse räumliche Ausdehnung zu bescheinigen ist.

Wenn nämlich Raum und Zeit gequantelt sind, dann sollten sich Auswirkungen davon am Licht sehr weit entfernter Galaxien nachweisen lassen. Zunächst nahm man sich dabei der Phaseninformation an, die ja ebenfalls „Sprünge“ aufweisen müsste. Der Beweis für die Quantelung wäre leicht erbracht, könnte man Licht aus Milliarden Jahren Entfernung diesen Verlust nachweisen, indem man es interferieren lässt – die entstehende Abbildung wäre dann nicht mehr scharf. Mit dieser Methode stieß man allerdings schnell an Grenzen. Deshalb befassen sich die Forscher nun mit der aus der Quantelung resultierenden Energieabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit. Über sehr große Entfernungen müssten sich die Effekte daraus messbar summieren.

Ein internationales Forscherteam hat das nun anhand eines vom Fermi-Gamma-Teleskop aufgenommenen Gammastrahlungsblitzes (GRB) untersucht. Die Ergebnisse sind im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlicht. Traurig für die Verfechter einer Quantelung von Raum und Zeit: Anhand der Messdaten ließ sich keine Energieabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit feststellen. Das heißt nicht, dass es die nicht gibt – die Forscher konnten aber berechnen, dass sich Quanteneffekte erst bei weniger als der Planck-Länge, geteilt durch 1,2, bemerkbar machen dürfen.

Diese obere Grenze ließe sich mit der Analyse noch weiter entfernter GRBs noch präzisieren. Die Wissenschaftler betonen, dass ihr Test nur Modelle mit einer linearen Energieabhängigkeit betrifft – frühere Messungen hatten hier noch eine Obergrenze vom Zehnfachen der Plancklänge ergeben. (Matthias Gräbner)