Die faszinierende Welt der Quanten

Esoteriker, mit Hilfe des Casimir-Effekts Energie aus dem Nichts gewinnen zu können: Wie vorhin schon erklärt, verstößt der Casimir-Effekt kein bisschen gegen den Energieerhaltungssatz, was zum Bau eines Perpetuum Mobile nötig wäre.
Erweiterungen der Quantenmechanik
    Ohne dass Sie es bemerkt haben, sind wir von der Quantenmechanik längst in den Bereich der Quanten-Feldtheorien gewechselt. Hier werden nicht mehr einzelne Teilchen betrachtet, sondern komplexe Felder. Die Quanten-Elektrodynamik etwa verheiratet die klassische Elektrodynamik elektromagnetischer Felder mit der Quantentheorie. Sie gehört zu den bisher am genauesten experimentell überprüften Theorien. Die Wechselwirkung geladener Teilchen wie zum Beispiel Elektronen erklärt sie erfolgreich mit Hilfe virtueller Photonen, die von den wechselwirkenden Teilchen ausgetauscht werden.
    Im Atomkern kommt hingegen die Quanten-Chromodynamik zum Einsatz. Sie beschreibt unter anderem, wie Protonen und Neutronen zusammenwirken, bildet also eine Erklärung der Starken Wechselwirkung, einer der vier Grundkräfte. Das ist sehr spannend, müsste aber Gegenstand eines eigenes Buches sein. Statt der elektrischen Ladung der Elektrodynamik wird hier zum Beispiel die abstrakte „Farbladung“ eingeführt, wobei dafür derselbe Erhaltungssatz gilt wie für die elektrische Ladung.
    Die Quarks, denen man verschiedene Farben zuordnet, wirken über den Austausch von Gluonen und setzen sich so zu Protonen, Neutronen oder auch Pionen zusammen. Diese Gluonen besitzen aber auch eigene Wechselwirkungen, was in der Elektrodynamik so nicht vorkommt.
Das Ziel: die Quanten-Gravitation
    Das große, bisher nicht erreichte Ziel der Forscher ist die Verknüpfung von Quantenphysik und Allgemeiner Relativitätstheorie in der Quanten-Gravitation. Bei sehr kleinen Dimensionen und hohen Energien versagen nämlich die beiden sonst sehr erfolgreichen Theorien. Gesucht ist eine „Theorie von allem“, die jedes physikalische Phänomen erfolgreich beschreibt. Ob eine solche Theorie überhaupt existiert, ist bisher nicht klar. Die Gravitation widersetzt sich Bestrebungen, sie zu quantisieren, bisher noch recht erfolgreich. Andererseits stehen Quantentheorie und Relativitätstheorie in einigen Bereichen im offenen Widerspruch.
    Viel versprechende Kandidaten, dieses Problem zu lösen, sind Stringtheorie und Schleifenquantengravitation. Die Stringtheorie baut das komplette Universum und all seine Strukturen aus eindimensionalen Objekten auf, so genannten Strings (Saiten). Kleiner Nachteil: mit vier Dimensionen kommt die Theorie nicht mehr aus, es dürfen gern zehn oder elf sein. Leider fällt es den Forschern sehr schwer, daraus konkrete Vorhersagen für unsere vierdimensionale Welt abzuleiten, so dass die Stringtheorie langsam an Attraktivität einbüßt.
    Die Schleifenquanten-Gravitation hingegen baut im Grunde auf der Quantenphysik auf, nimmt aber an, dass auch Raum und Zeit aus kleinsten Brocken bestehen. In der Folge lässt sich das Universum mathematisch über aus Linien und Knoten bestehende Diagramme darstellen. Dieses Netz aus Linien und Knoten ist aber nicht in irgend etwas eingebettet – es stellt das eigentliche Universum dar. Zwischen den Linien gibt es nichts, nicht einmal das Vakuum.
    Die Elementarteilchen entsprechen dann Knoten dieses Netzes oder Kombinationen mehrerer Knoten. Packt man jetzt noch die Zeit als weiteren, von den anderen Dimensionen nicht wesentlich unterscheidbaren Parameter hinzu, ergeben sich Flächen. Deren Veränderung und Bewegung stellt dann den Zeitfluss dar.
    Ein faszinierendes Konzept also, das ohne Zusatz-Dimensionen auskommt. Doch auch hier ist den Forschern noch nicht gelungen, die vier Grundkräfte der Physik aus der Theorie herzuleiten. Die Allgemeine Relativitätstheorie sollte sich als Spezialfall der Theorie ergeben – der Beweis dafür steht ebenfalls noch aus.

    Bild 38: Aus solchen Flächen will die Schleifenquanten-Gravitation alle Naturgesetze ableiten
    Übrigens: Bei Interesse erhalten Käufer der Kindle-Version kostenlos auch eine PDF-Variante für das Lesen am PC oder auf dem Tablet. Diese enthält noch deutlich mehr Fotos und Grafiken.

Glossar
    AES-Protokoll
    AES (Advanced Encryption Standard) ist ein moderner Verschlüsselungs-Algorithmus, bei dem beide Teilnehmer denselben Schlüssel verwenden (symmetrische Verschlüsselung). Er wird unter anderem in WLAN-Netzen eingesetzt, aber auch von Software wie Skype oder Betriebssystemen wie