Eine Quantengravitationstheorie ist eine vereinheitliche Theorie aus der Allgemeinen Relativitätstheorie (Gravitationskraft) auf der einen und der Quantenfeldtheorie (die anderen drei Grundkräfte) auf der anderen Seite.

Es gibt noch keine abgeschlossene Quantengravitationstheorie. Ihre derzeitige Entwicklung wird insbesondere von 2 wesentlichen Motivationen angetrieben:

Es besteht eine vielfältige wechselseitige Inkompatibilität zwischen der Allgemeine Relativitätstheorie (ART) und der Quantenfeldtheorie (QFT).

Die folgenden zwei Beispiele zeigen das exemplarisch:

1. Die ART beschreibt das Gravitationsfeld als klassisches, dynamisches Feld. Dieses wird durch die "pseudo-riemannsche" Metrik der Raumzeit repräsentiert. Die QFT arbeitet jedoch mit festen, nicht-dynamischen Hintergrundannahmen. Daher kann das Gravitationsfeld nicht einfach in der QFT "quantisiert" werden.

2. Die ART erfasst die Zeit als eine Komponente der relativen Raumzeit. Sie ist dynamisch in die Wechselwirkung zwischen Materie bzw. Energie und Metrik eingebunden. Es gibt keine "objektive" Zeit, keinen globalen Zeitparameter. Die QFT erfasst die Zeit dahingegen als globalen Hintergrundparameter.

Die ART beschreibt die Welt bei großen Geschwindigkeiten und Massen.
Die QFT beschreibt die Welt dahingegen bei kleinen Abständen und Größen. 

Nun gibt es Ereignisse im Universum, bei denen v.a. große Massen auf kleinen Abständen vorkommen. Zu ihrer Beschreibung braucht es eine QGT:

1. In Schwarzen Löchern sind große Massen auf kleine Abstände konzentriert.

2. Kurz nach dem Urknall waren große Massen auf kleine Abstände konzentriert.

Die ART sagt in beiden Fällen 1. und 2. Singularitäten voraus. In diesen gilt das Äquivalenzprinzip nicht mehr und die ART verliert damit selbst ihre Gültigkeit.

Wenn wir das Innere von Schwarzen Löchern oder den Kosmos kurz nach dem Urknall erklären wollen, brauchen wir dafür also eine Quantengravitationstheorie!

Es liegen derzeit keine relevanten empirischen Daten für eine QGT (also etwa aus der kosmischen Inflationsphase oder aus Schwarzen Löchern) vor.

Eine Quantengravitationstheorie muss daher zwei Voraussetzungen erfüllen:

·        Sie muss mit den empirischen Daten übereinstimmen, welche ihre Vorläufertheorien ART und QFT stützen.

·        Sie muss in sich kohärent sein und weiteren wissenschaftstheoretischen Ansprüchen an eine gute wissenschaftliche Theorie erfüllen.

In der Regel übernimmt eine QGT bewährte konzeptuelle Elemente aus ihren Vorgängertheorien:

Die ART repräsentiert das Gravitationsfeld mit Hilfe einer Raumzeitmetrik. Das heißt, dass das Gravitationsfeld kein Feld in der Raumzeit, sondern vielmehr eine Manifestation der Raumzeit. Sie lässt sich also nicht in einer Hintergrundraumzeit beschreiben. Daher müsste eine Quantengravitationstheorie, solange dem keine guten Gründen entgegenstehen, Gravitation ohne Raumzeit beschreiben.

Die QFT ist die fundamentale Feldtheorie. Sie legt nahe, dem Gravitationsfeld - wie anderen Feldern auch - Quanteneigenschaften zuzusprechen. Eine "Quantisierung" der Gravitation bzw. Raumzeit kann aber Vieles bedeuten:

Einerseits kann damit eine direkte "Quantisierung" der Gravitation bzw. Raumzeit gemeint sei. Das kann bedeuten, dass die Metrik der Quantengeometrie als Erwartungswert einer Quantenvariablen dargestellt wird. Dass man mit Quantenfluktuationen der Metrik, vielleicht gar der Topologie zu rechnen hat. Oder dass es so etwas wie "Unschärfen" in der Raumzeit gibt etc. pp.

Andererseits kann damit eine metaphorische "Quantisierung" gemeint sein. Das bedeutet dann, dass nach einer Quantentheorie der Gravitation gesucht wird. Diese müsste nicht zwingend eine "Quantisierung" der Raumzeit beinhalten.

Wenn man die weitere metaphorische Lesart wählt, hält man sich alle Optionen offen. 

Stanford Encyclopedia of Philosophy

Stand: 2019

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