Wo die Quantenphysik Newtons Gesetz ins Wanken bringt: Die Jagd nach der fünften Kraft

Vier fundamentale Kräfte regieren das Universum - daran hat sich seit Isaac Newtons Tagen kaum etwas geändert. Die Schwerkraft, die uns auf dem Boden hält, der Elektromagnetismus, der unsere Lampen zum Leuchten bringt, sowie die starke und die schwache Kernkraft, die im Inneren der Atome walten - sie bilden das unerschütterliche Gerüst der modernen Physik. Und doch ziehen sich seit Jahrzehnten feine Risse durch dieses Gerüst: Die unerklärliche Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, die zusammen 95 Prozent des Kosmos ausmachen, nährt einen der hartnäckigsten Verdachtsmomente der Wissenschaft. Was, wenn es da draußen noch etwas gibt? Eine fünfte Kraft, so schwach und flüchtig, dass sie sich bisher jedem Nachweis entzogen hat? Eine neue theoretische Arbeit, die das scheinbar Unvereinbare verbindet, schürt diese Hoffnung nun auf völlig unerwartete Weise - und steckt gleichzeitig die Grenzen für diese geheimnisvolle Kraft radikal enger.

Der unerfüllte Traum von der großen Vereinheitlichung

Die Suche nach der fünften Kraft ist untrennbar mit dem vielleicht größten ungelösten Problem der Physik verknüpft: der Quantengravitation. Auf der einen Seite steht Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die mit bestechender Eleganz die Schwerkraft als Krümmung der Raumzeit beschreibt und auf großen Skalen - von Planetenbahnen bis zu Galaxienhaufen - perfekt funktioniert. Auf der anderen Seite regiert die Quantenmechanik die Welt der allerkleinsten Teilchen mit einer Sprache aus Wahrscheinlichkeiten, Verschränkung und diskreten Zuständen. Beide Theorien sind für sich genommen unglaublich erfolgreich, doch sobald sie aufeinandertreffen - etwa bei der Beschreibung des Urknalls oder des Inneren eines Schwarzen Lochs - , produzieren ihre Gleichungen nur noch mathematischen Unsinn. Eine Theorie, die beide Welten vereint, die Quantengravitation, ist der Heilige Gral der theoretischen Physik. Genau in diesem schwer zugänglichen Grenzbereich könnte die fünfte Kraft ihre Spuren hinterlassen.

Asymptotische Sicherheit - ein rettender Anker der Theorie

Unter den vielen Kandidaten für eine solche Theorie hat ein Forscherteam um Alfio Bonanno und Emiliano Glaviano vom italienischen Nationalinstitut für Astrophysik (INAF) einen speziellen Ansatz untersucht: die „asymptotische Sicherheit“. Diese Theorie postuliert eine Art eingebauten Schutzmechanismus der Gravitation. Normalerweise würde man erwarten, dass die Schwerkraft bei extrem hohen Energien und winzigen Abständen unkontrollierbar stark wird und die Theorie kollabiert. Das Konzept der asymptotischen Sicherheit hingegen besagt, dass die Stärke der Gravitation ab einem bestimmten Punkt nicht weiter anwächst, sondern sich auf einem konstanten, endlichen Wert einpendelt. Damit bliebe die Theorie auch unter extremsten Bedingungen berechenbar und widerspruchsfrei. „Die Physik des unendlich Kleinen könnte beobachtbare Spuren in der makroskopischen Welt hinterlassen“, erklärt Glaviano in einer E-Mail. Genau hier setzt die neue Studie an, die im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Ein theoretisches Verbot für Newtons Abweichler

Der entscheidende Clou der Arbeit ist ihr ungewöhnlicher Ansatz. Statt eine neue, konkrete Kraft vorherzusagen und dann nach ihr zu suchen, drehten die Forscher den Spieß um. Sie nahmen die Hypothesen der asymptotisch sicheren Quantengravitation und fragten: Welche Eigenschaften einer möglichen fünften Kraft wären mit dieser Theorie überhaupt vereinbar? Eine solche Kraft würde sich als winzige, aber messbare Abweichung vom altbekannten Newtonschen Gravitationsgesetz bemerkbar machen, charakterisiert durch zwei entscheidende Parameter: ihre Stärke und ihre Reichweite, also die Distanz, über die sie wirkt. Das frappierende Ergebnis der Berechnungen war, dass ein großer Teil der theoretisch möglichen Kombinationen dieser beiden Parameter schlichtweg verboten ist. Bestimmte Reichweiten und Stärken, so das Verdikt der Quantengravitation, kann es im Rahmen dieser Theorie nicht geben. „Unsere Studie zeigt, dass Quantengravitation nicht nur eine gültige Theorie bei extremen und unerreichbaren Energien sein mag, sondern auch konkrete und überprüfbare Konsequenzen auf viel größeren Skalen haben kann“, so Glaviano weiter.

Die Vermessung des Verbotenen - ein Fahrplan für die Zukunft

Das eigentlich Revolutionäre an dieser Karte des Verbotenen ist jedoch nicht die Verbotszonen an sich. Es ist die Tatsache, dass ein bedeutender Teil dieses theoretisch verbotenen Bereichs experimentell noch völlig unerforschtes Terrain ist. Bonanno vergleicht die Situation mit einer Bergwand, die alle für unbezwingbar halten. Der erste Schritt sei, sich mental davon zu überzeugen, dass ein Weg existiert. Die Arbeit seines Teams liefert nun genau diesen Weg: einen konkreten, kartografierten Bereich, in dem zukünftige Experimente die Theorie einem direkten Test unterziehen können. Sollte man eine fünfte Kraft mit genau den verbotenen Eigenschaften finden, wäre die Theorie der asymptotischen Sicherheit widerlegt. Ein Triumph der wissenschaftlichen Methode, der aus einer scheinbaren Sackgasse ein klares, falsifizierbares Ziel macht.

Von Atominterferometern zu Planetenbahnen

Die Suche nach dieser Abweichung vom Newtonschen Gesetz soll dabei auf einer atemberaubenden Bandbreite an Methoden erfolgen. An einem Ende der Skala stehen hochpräzise Laborexperimente mit sogenannten Atominterferometern, die auf Quantensensoren basieren und in der Lage sind, winzigste Gravitationsunterschiede auf kürzesten Distanzen zu messen. Am anderen Ende der Skala reichen die Tests bis weit in den Kosmos hinaus. Mit der Methode des Lunar Laser Ranging wird der Abstand zum Mond bereits heute millimetergenau und jahrzehntelang vermessen und mit Newtons Vorhersagen verglichen. Noch größer ist der Maßstab bei der präzisen Beobachtung der Dynamik von Planeten und ihrer Monde. Jede noch so kleine unerklärliche Beschleunigung in den Bahndaten könnte auf das Wirken einer neuen, fünften Kraft hindeuten. Die neue Studie liefert für all diese so unterschiedlichen Experimente einen gemeinsamen theoretischen Rahmen und eine klare Orientierung.

„Einer der Hauptgründe, warum wir Quantengravitation oft als zu abstrakt ansehen, um sie mit beobachtbaren Phänomenen zu verbinden, ist eine mentale Blockade“, fasst Bonanno den Paradigmenwechsel zusammen. Die Versuche, die Grenze zwischen dem Kleinsten und dem Größten zu durchbrechen, haben damit einen konkreten Fahrplan erhalten. Die kommenden Jahre hochpräziser Gravitationsmessungen könnten somit nicht nur über die Existenz einer fünften Kraft entscheiden, sondern uns zugleich einen ersten experimentellen Zugang zur wahren Natur von Raum und Zeit selbst liefern.

Quellen:

• Poem: ‘The Soliloquy of Schrödinger’s Cat’ (Scientific American)
• A quantum state that lasts forever may finally be within our grasp (New Scientist)
• Alan Guth (Scientific American)
• We have 4 fundamental forces of nature. ‚Quantum gravity‘ could help lead us to a mysterious 5th (Space.com)
• Kauê M. Costa (Scientific American)
• New cavity control strategy improves performance of blue vertical-cavity surface-emitting lasers (Phys.org)

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