Schwarze Löcher liefern neue Erkenntnisse zum Geheimnis der Quantengravitation
Bei Schwarzen Löchern, die aus den Trümmern eines kollabierten, sehr massereichen Sterns entstehen, handelt es sich um astrophysikalische Objekte, die sich durch ihre extrem starken Gravitationsfelder auszeichnen. Um sie zu beschreiben, müssen in der Physik sowohl die allgemeine Relativitätstheorie als auch die Prinzipien der Quantenmechanik angewandt werden. „Während jeder dieser Bereiche durch Experimente gut etabliert ist und die Grundlage der modernen Physik bildet, hat sich ihre Kombination zu einer einzigen, konsistenten Theorie der Quantengravitation als sehr schwierig erwiesen – und fordert Forschende der Physik seit mehr als 50 Jahren heraus“, sagt Sameer Murthy, Professor für theoretische und mathematische Physik am King’s College London. Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts QBH führt Murthy eine Initiative an, um diese Herausforderung zu bewältigen.
Die diskrete Natur schwarzer Quantenlöcher nachvollziehen
Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanzierten Projekts wurden Schwarze Löcher als theoretische Grundlage genutzt, um zwei Fragen zu beantworten. „Zunächst wollten wir verstehen, wie sich die Quantengravitation quantitativ von der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie unterscheidet“, erklärt Murthy. „Anschließend wollten wir die Möglichkeit erkunden, analytisch berechenbare Modelle der mikroskopischen Quantengravitation zu konstruieren.“ Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit war die Konzeption des ersten Prototyps eines Schwarzen Quantenlochs, mit dem die Forschenden die ganzzahlige Dimension des zugrundeliegenden Hilbertraums in den Gravitationsvariablen bestimmen können. „Unsere Forschung zeigt, wie die diskrete Natur von Schwarzen Löchern aus den kollektiven Wechselwirkungen des zugrundeliegenden quantenstatistischen Systems hervorgeht“, fügt Murthy hinzu. Im Rahmen des Projekts ist es ebenso gelungen, explizite, kontrollierbare Modelle der Quantengravitation zu erstellen, mit denen das Auftreten kollektiver Phasen und deren Übergänge erklärt werden kann.
Altbekannte Fragen beantworten
Zum Projektende hatten die Forschenden genau das erreicht, was sie sich vorgenommen hatten: Sie bestätigten, dass es möglich ist, eine exquisite Kontrolle über die Quantengravitationsberechnung zu erlangen, um diskrete ganze Zahlen aus einer Kontinuumstheorie zu extrahieren. Etwas unerwartet gelang es ihnen zudem, die mikroskopische Entropie supersymmetrischer Schwarzer Löcher mithilfe der dualen Eichtheorie zu erklären – dieses Problem hatte das Fachgebiet laut Murthy in den vergangenen 15 Jahren beschäftigt. „Unsere Erkenntnisse sorgten für eine Flut von Aktivitäten zu diesem Thema, die im Wesentlichen das ältere Problem bereinigten, zu einem scharfen Bild von Schwarzen Löchern als Quantenzustände der Yang-Mills-Theorie führten und neue Phasen in der Quantengravitation vorhersagten“, stellt er fest. Murthy wendet seine Aufmerksamkeit nun der Konsolidierung der Ergebnisse des Projekts QBH zu und betrachtet sie in einem Gesamtkontext. „Ich habe das Gefühl, dass die Summe der Projektergebnisse die Grenzen dessen, was wir in einer bestimmten Ecke der mathematischen Physik wissen, ein wenig verschoben hat“, sagt er. Jetzt möchte er einen Schritt zurückgehen und fragen: Was ist der wahre Charakter dieses Fortschritts, wenn man einmal von der Geschichte absieht, wie wir ihn erreicht haben? „Es ist guter Zeitpunkt, um in Ruhe nachzudenken, aber auch für spannende Diskussionen mit anderen Physikerinnen und Physikern“, bemerkt er abschließend.
Schlüsselbegriffe
QBH, Physik, Schwarze Löcher, Quantengravitation, Physikerin, Physiker, allgemeine Relativitätstheorie, Quantenmechanik
