Die Quantentheorie der Gravitation, effektive Feldtheorien und Strings: Vergangenheit und Gegenwart

Die Schwerkraft ist eine von vier grundlegenden Wechselwirkungen. Die genaueste Beschreibung dieser Kraft liefert noch immer Einsteins 1915 veröffentlichte Allgemeine Relativitätstheorie, eine völlig klassische Theorie. Diese Beschreibung unterscheidet die Schwerkraft von den anderen drei Kräften – stark, schwach und Elektromagnetismus –, die alle durch Quantenfelder beschrieben werden. Daher muss jeder Versuch, die vier Kräfte zu vereinen, auf einer Beschreibung der Schwerkraft beruhen, die die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt.

Dies ist seit den 1930er Jahren ein aktives Gebiet der theoretischen Physik. Der Historiker und Physiker Alessio Rocci von der VUB in Brüssel und Thomas Van Riet von der KU Leuven in Belgien haben einen historischen Überblick über die Entwicklung der Quantentheorien der Schwerkraft gegeben, um unsere aktuelle Sicht auf eine zukünftige einheitliche Theorie der vier Kräfte zu erläutern. Diese Arbeit wurde veröffentlicht in Das European Physical Journal H.

In den 1930er-Jahren begannen Physiker, die Quantentheorie der Gravitation zu untersuchen. Dabei verfolgten sie einen störungstheoretischen Ansatz und waren davon überzeugt, dass es keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen der Gravitationskraft und den anderen Wechselwirkungen geben sollte. Eine Beschreibung der Gravitationswechselwirkung nach den Gesetzen der Quantenmechanik zu finden, ist jedoch immer noch eine sehr komplexe Aufgabe.

Später im Jahrhundert begann Steven Weinberg, ein Pionier sowohl der effektiven Feldtheorie als auch des Standardmodells der Teilchenphysik, einen Prozess der gegenseitigen Befruchtung zwischen diesen Bereichen und dem Forschungsgebiet der Quantengravitation, der unsere heutige Sicht auf Einsteins Theorie hervorbrachte. Ab Mitte der 1980er Jahre bildete die Stringtheorie einen möglichen Rahmen für die Annäherung an die Quantengravitation mithilfe eines „Top-Down“-Ansatzes. Der effektive feldtheoretische Ansatz für starke Kräfte trieb die Entwicklung der „Bottom-up“-Perspektive voran und erreichte Mitte der 1990er Jahre ihren Höhepunkt.

Vor kurzem haben Physiker ein neues Programm namens Swampland gestartet, um die in den 2000er Jahren aufgekommene Kritik an der Stringtheorie zu überwinden. Van Riet sagt: „Die ultimative Hoffnung besteht darin, dass das Swampland-Programm zu allgemeinen Mustern mit Beobachtungskonsequenzen führen kann.“