Über formspring kam folgende Anregung:
Noch eine Anregung für “Fundamentales”, Thema “Relativitätstheorie”: Weshalb musste Einstein als Erklärung die Raumzeitkrümmung einführen,gibt es keine alternative Erklärung, etwa über den Austausch von Teilchen (Gravitonen) zwischen Masse und Licht
Erstmal freue ich mich immer über Anregungen über formspring, oder auch über Mail oder Twitter. Ihr findet das alles in der linken Spalte.
Für ein Fundamentales zur Allgemeines Relativitätstheorie fühle ich mich (noch) nicht so recht gewappnet, aber das ist vielleicht eine Gelegenheit, drauf hinzuweisen dass Andreas Müller von den Kosmologs gerade sein erstes Buch “Schwarze Löcher” herausgebracht hat, das ich mir auch unbedingt mal ansehen will.
Raumzeitkrümmung
Aber nun zunächst zur Frage, warum Einstein die Raumzeitkrümmung einführen musste. Ich denke, er “musste” das nicht in diesem Sinne, sondern er ist vielmehr auf eine Idee gekommen, die er verfolgt hat und die ihn an das Ziel gebracht hat, nämlich die Auswirkungen der Gravitation zu beschreiben.
Es gibt eine schöne Einsteigerseite des Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, die die Idee erläutert: Einstein online. Hier nur mal das Übersichtsbild, ihr solltet euch die Seite einfach mal ansehen:
Die Schlüsselidee von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie besteht darin, Gravitation nicht als Kraft zu betrachten, sondern als eine Eigenschaft der Geometrie von Raum und Zeit.
Ohne eine äußere Kraft würden sich zwei Teilchen immer so wie im ersten Bild verhalten. Aber wenn man das zweite Verhalten beobachten würde, könnte man auf eine äußere Kraft schließen – das Verhalten lässt sich aber auch durch eine Krümmung beschreiben. Wir hier auf der Erdoberfläche sehen die Erde in unserem kleinen “privaten” Bezugssystem als flach an, von weit weg ist es aber eine Kugel. Die Bahnen im zweiten Bild, die zusammenlaufen, könnten wirklich Bahnen auf einer Kugeloberfläche sein.
Was ist es nun – Kraft oder Krümmung? Und Einstein löste das schließlich, indem er sagt: Masse krümmt die Raumzeit, Teilchen bewegen sich weiterhin auf kürzesten Linien (Geodäten) und es scheint wie eine Kraft zu wirken.
Quantenfeldtheorien
Jetzt zum zweiten Teil der Frage: Warum keine Beschreibung als Wechselwirkung durch Gravitonen?
Nun, das ist das große Ziel der Physik: Die Große Vereinheitlichte Theorie. In dieser würde auch eine Quantentheorie der Gravitation existieren. Denn bei ganz kleinen Distanzen, wie sie aber z.B. am Anfang des Universums bestimmend gewesen sein müssen, braucht es diese Quantengravitation.
Quantenfeldtheorien existieren für die anderen Kräfte, und man beschreibt Felder, deren Quantelung die Austauschteilchen sind. Die Quantenfeldtheorien begannen ihren Siegeszug mit Feynman, Schwinger, Tomonaga und Dyson in der Quantenelektrodynamik, denn sie müssen ein ganz wichtiges Kriterium erfüllen: die Renormierbarkeit. Das bedeutet, das in allen Formulierungen Unendlichkeiten auftreten, und man muss nachweisen, dass man diese geschickt verschwinden lassen kann. Leider gelingt das nicht für die Gravitation, und daher gibt es noch keine Quantengravitationstheorie. Die wichtigsten Kandidaten dafür sind die String-Theorie bzw. die M-Theorie und die Quantum Loop Gravity.
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