Eine neue Theorie von allem? Wird die Raumzeit durch Quantenverschränkung aufgebaut?

Eine Zusammenarbeit zwischen Physikern und Mathematikern hat einen wichtigen Schritt zur Vereinheitlichung der allgemeinen Relativitätstheorie und Quantenmechanik gemacht, indem sie in einer fundamentaleren Theorie erklärt, wie die Raumzeit aus der Quantenverschränkung entsteht.

Physiker und Mathematiker haben längst eine Theorie von allem gesucht, die die allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik vereint. Die allgemeine Relativität erklärt Gravitation und großräumige Phänomene wie die Dynamik von Sternen und Galaxien im Universum, während die Quantenmechanik mikroskopische Phänomene von den subatomaren zu den molekularen Skalen erklärt.

Das holographische Prinzip wird weithin als wesentliches Merkmal einer erfolgreichen Theorie von allem angesehen. Das holographische Prinzip besagt, dass die Schwerkraft in ein dreidimensionales Volumen auf einer zweidimensionalen Fläche rund um das Volumen durch die Quantenmechanik beschrieben werden kann. Insbesondere sollten die drei Dimensionen des Volumens von den zwei Dimensionen der Oberfläche entstehen. Das Verständnis der genauen Mechanik für das Auftauchen des Volumens von der Oberfläche ist jedoch schwer fassbar.

Hirosi Ooguri (Foto) von der Universität von Tokyo und Caltech Mathematiker Matilde Marcolli und Studenten erklärten ihre Theorie im „Physical Review Letters“, und sorgten für Aufsehen.

Ooguri und seine Mitarbeiter haben herausgefunden, dass Quantenverschränkung der Schlüssel zur Lösung dieser Frage ist. Unter Verwendung einer Quantentheorie (die keine Gravitation beinhaltet) zeigten sie, wie man die Energiedichte, die eine Quelle der Gravitationswechselwirkungen in drei Dimensionen ist, unter Verwendung von Quantenverschränkungsdaten auf der Oberfläche berechnet.

Dies ist analog zur Diagnose von Bedingungen im Inneren Ihres Körpers durch das Betrachten der Röntgenbilder auf zweidimensionalen Blättern. Dies ermöglichte es, universelle Eigenschaften der Quantenverschränkung als Bedingungen für die Energiedichte zu interpretieren, die durch eine konsequente Quantentheorie der Gravitation befriedigt werden sollte, ohne tatsächlich explizit die Schwerkraft in die Theorie einzubeziehen. Die Bedeutung der Quantenverschränkung wurde schon früher erkannt, aber ihre genaue Rolle bei der Entstehung der Raumzeit war noch nicht klar.

Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem Quantenzustände wie Spin oder Polarisation von Partikeln an verschiedenen Orten nicht unabhängig beschrieben werden können. Das Messen (und damit das Handeln) eines Teilchens muss auch auf das andere wirken, was Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete. Die Arbeit von Ooguri und Mitarbeitern zeigt, dass diese Quantenverschränkung die zusätzlichen Dimensionen in der Gravitationstheorie erzeugt.

Es war bekannt, dass die Quantenverschränkung mit tiefen Problemen in der Vereinigung von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik, wie das schwarze Loch-Informationsparadox, verbunden ist. Diese Forschung wirft ein neues Licht auf das Verhältnis zwischen Quantenverschränkung und die mikroskopische Struktur der Raumzeit durch explizite Berechnungen. Die Schnittstelle zwischen Quantengravitation (Von der Relativitätstheorie zur Quantengravitation) und Informationswissenschaft ist für beide Felder immer wichtiger und wird in Zukunft weitere Ergebnisse präsentieren können.

– DENKE-ANDERS-BLOG –

Journal Reference:

1. Jennifer Lin, Matilde Marcolli, Hirosi Ooguri, and Bogdan Stoica. Locality of gravitational systems from entanglement of conformal field theories. Physical Review Letters,  [link]