Wie passen allgemeine Relativitätstheorie (ART) und Quantenmechanik (QM) zusammen?

Die Extraktion des Universums aus der Wellenfunktion | Prof. Sean Carroll

Die Quantenmechanik ist eine Theorie der Wellenfunktion im Hilbert-Raum (*hier anklicken) . Viele Eigenschaften, die in unserer beobachtbaren makroskopischen Welt als selbstverständlich angesehen werden, wenn man die Quantenmechanik anwendet wie beispielsweise die klassische Raumzeit, sollten im Prinzip aus der Wellenfunktion der Schrödinger Gleichung ableitbar sein.

"Ich werde die aktuellen Fortschritte zur Extraktion des Universums aus der Wellenfunktion erörtern, einschließlich der Konsequenzen für die emergente Raumzeit und die Quantengravitation. Wir brauchen etwas, um voran zu kommen...", sagt Prof. Sean Carroll in der folgenden aktuellen Quanten-Informations-Struktur Spacetime (QISS) Videokonferenz.

Kausale Struktur der Raumzeit auf mikroskopischen Skalen (in Spin-Schaum) - theoretisches Modell/ Überlegungen
Pre-print unter arxiv.org/abs/2109.00986. Von Pierre Martin-Dussaud und Eugenio Bianchi, Penn State University.

Eine der wichtigsten konzeptionellen Errungenschaften der Einsteinschen Relativitätstheorie ist die Erkenntnis, dass Raum und Zeit aus einer einzigen physikalischen Einheit, der Raumzeit, hervorgehen. Innerhalb der Raumzeit wird die Unterscheidung zwischen Raum und Zeit durch eine so genannte kausale Struktur gesteuert. Ziel der QISS Forschung ist es, den Ursprung dieser Kausalstruktur auf mikroskopischen Skalen zu ermitteln, wo Quantengravitationseffekte wichtig werden.  hier anklicken


In der Schleifen-Quantengravitation wird die Raumzeit durch einen Spin-Schaum beschrieben und die Raumzeit ist auf den Keilen der Schaumoberflächen kodiert. 

Quelle: www.qiss.fr/causal-structure-in-spin-foams/
 

Fazit:
Die Schlüsselfrage bleibt, ob Raumzeit und Gravitation fundamental oder aus der Quantenphysik ableitbar (emergent) sind und ob die mikroskopische Quantenphysik das übergeordnete und zugrundeliegende Prinzip für die Entstehung von Raumzeit und Gravitation sein könnte.

Prof. Anton Zeilinger - "Raum und Zeit sind vielleicht nicht so solide, wie wir glauben." (Vortrag)

Interessant was Prof. Anton Zeilinger da ab genau min. 33:33 sagt! Vor allem aber mutig das so offen auszusprechen.
„[…] das heißt Raum und Zeit sind sekundär, und das ist ganz wichtig. Offenbar eine der Schlussfolgerungen von dieser ganzen Geschichte ist, daß unsere Konzepte von Raum und Zeit nicht primäre Konzepte sind, sondern irgendwo abgeleitete Konzepte sind und vielleicht nicht so solide sind wie wir glauben […]“  hier anklicken

Hallo ich bin neu im Forum und wollte nach stillem Mitlesen mal meinen Senf zu diesem Thema geben. Vor kurzer Zeit habe ich vom Youtube Kanal Entropy Wissenschaft schnell erklärt einen Beitrag gesehen nach dem behauptet wird Gravitation sei ebenfalls auf die Quanten Elektrodynamik zurückzuführen wie alle Naturkräfte.

Somit würden sich die 4 fundamentalen Naturkräfte auf 3 reduzieren. Und dann im Urknall auf 1 einzige.

Könnt ihr mir da nähere Infos geben? Bin selber gerade in der Berufsoberschule und mach in den nächsten drei Jahren mein Abitur nach um danach zu studieren. Vermutlich werde ich Maschinenbau oder E-Technik studieren. 

Golden ratio schrieb:

Gravitation sei ebenfalls auf die Quanten Elektrodynamik zurückzuführen wie alle Naturkräfte

Die Quantenphysik ist eine ganz allgemeine Beschreibung von Quanteneigenschaften. Hinsichtlich der Anwendbarkeit auf Gravitation wird intensiv geforscht.

Ich habe mir das Video angesehen, es ist dort lediglich von Quanteneigenschaften die Rede, mit denen die drei Grundkräfte erklärbar sind, und ein Gedankenexperiment, um die evtl Quanteneigenschaften der Gravitation vielleicht zu überprüfen.

Wir haben vier Grundkräfte im Universum, wir haben die Schwache und die Starke Kernkraft und wie haben die Elektromagnetische Kraft. Alle davon lassen sich durch die Quantenmechanik beschrieben, bis auf die Schwerkraft. Die letzte und vierte Kraft.

Die QED beschreibt die elektrische Kraft beim Elektromagnetismus, die QFD (Quantenflavordynamik) beschreibt die Schwache Kraft beim Zerfall von Teilchen und die QCD (Quantenchromodynamik) beschreibt die Starke Kraft zwischen den Quarks.

Hallo erstmal vielen Dank für die Antwort.

Nach Einstein ist ja Gravitation eine Eigenschaft des gekrümmten Raumes. Also nichts stoffliches.

Könnte es sein dass man Gravitation neu definieren müsste um eine Quantisierung zu erreichen?

Golden ratio schrieb:

Könnte es sein dass man Gravitation neu definieren müsste um eine Quantisierung zu erreichen?

Wenn die Quantisierung gelingt, ergibt sich daraus die übliche Definition der Quantenphysik.
Eines der Probleme dabei ist gerade die Krümmung der Raumzeit, wofür es in der Quantenphysik kein Modell gibt.

...oft ist es schwierig und zu zeitintensiv die Informationen und Themen, die in einem größeren Diskussionsfaden über mehrere Seiten diskutiert wurden, zu überblicken. Deshalb hier eine kurze Zusammenfassung mit den entsprechenden Links.

PRO & CONTRA Kommentare zu den einzelnen Kapiteln sind ausdrücklich erwünscht...

Inhaltsverzeichnis

1.) Prof. Dyson zur Sinnhaftigkeit einer Zusammenführung von allgemeiner Relativitätstheorie (ART) und Quantenmechanik (QM)
hier anklicken

2.) Hypothese von Prof. Mark Van Raamsdonk: Aufbau der Raumzeit aus Quantenverschränkung  hier anklicken

3.) Prof. Louis de Broglie's Überlegungen zu Materiewellen (kommentiert von Dr. Martin Apolin)  hier anklicken

4.) Computersimulation des virtuellen Quantenvakuum-Hintergrunds von Prof. Derek Leinweber  hier anklicken

5.) Dr. Josef Gaßner zum Quantenvakuum  hier anklicken

6a) Joscha Bach, PhD (Forscher für künstliche Intelligenz): "Die CPU (quantenmechanische Informationsverarbeitung) des Universums läuft viel, viel schneller als die Teilchendynamik, die wir sehen."  hier anklicken

6b) Prof. Suchitra Sebastian (Lektorin an der Universität Cambridge): "Auch wenn es eine Theorie von allem (ToE) geben würde, würden wir diese nicht verstehen und bloß die uns bekannte Realität sein."  hier anklicken

7.) Prof. Ganteför über die Nichtlokalität ("spukhafte Fernwirkung") als Folge von Quantenverschränkung  hier anklicken

8.) Prof. Dijkgraaf zum EPR Paradoxon ("spukhafte Fernwirkung")  hier anklicken

9.) Kosmischer Bell-Test (2017) - Prof. David Kaiser (MIT) und Prof. Anton Zeilinger (Universität Wien)  hier anklicken

10.) Prof. Maldacena über das konkrete Problem, die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) und die Quantenmechanik (QM) zu vereinheitlichen  hier anklicken

11.) Neues Modell für Quantengravitation | Institut für Quanteninformation und Materie (IQIM)  hier anklicken

12.) Sind Gravitation und Raumzeit fundamental oder ableitbar (emergent)? | Prof. Erik Verlinde  hier anklicken

13.) Prof. Anton Zeilinger - "Raum und Zeit sind vielleicht nicht so solide, wie wir glauben." (Vortrag)  hier anklicken

14.) Quantenmechanik (QM) & Allgemeine Relativitätstheorie (ART) | Grenzwertbetrachtungen von Prof. Harald Lesch  hier anklicken

15.) Alle drei Nobelpreisvorlesungen 2022 in Quantenphysik - Prof. Alain Aspect, Prof. John F. Clauser und Prof. Anton Zeilinger
hier anklicken

16.) Chronologie der Energie- und Temperaturentwicklung des frühen Universums  hier anklicken

17.) Die frühesten Entwicklungsstadien des Universums bis heute und die neuesten Daten vom James-Webb-Weltraumteleskop diskutiert von Prof. Ganteför  hier anklicken

18.) Quantensimulation mit Quanten-Vielteilchensystemen - Die Beherrschung der kleinsten aller Welten | Prof. Immanuel Bloch
hier anklicken

19.) TEDxCaltech Vortag (Simon Fölling) - Quantengas-Materie-Simulator  hier anklicken

20.) Caltech-Physikprofessor Richard Feynman: "Die Natur ist zutiefst quantenmechanisch."  hier anklicken

21.) Spektrum.de: Higgs-Anregungen in Bose-Einstein-Kondensaten und welche Bedeutung sie für die Physik haben könnten?
hier anklicken

22.) „Materie besteht nicht aus Materie“ | Dr. Josef M. Gaßner und die Welt des Kleinsten  hier anklicken

23.) Echtzeitbeobachtung kollektiver Quantenmoden - ETH Zürich (2017)  hier anklicken

24.) Spektrum.de: Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen (Universität Bonn)  hier anklicken

25.) Die Extraktion des Universums aus der Wellenfunktion | Quanten-Informations-Struktur Spacetime Seminar mit Prof. Sean Carroll  hier anklicken

...in der Zwischenzeit habe ich versucht weitere Experten zu aktivieren und angeschrieben mit der Bitte ein Update/ neuen aktuellen Video-Beitrag zu veröffentlichen zur Fragestellung, wie die allgemeine Relativitätstheorie (ART) und Quantenmechanik (QM) zusammenpassen?

Robert Lawrence Kuhn (Closer to Truth) hat zurückgeschrieben:

Dear UN73,

I appreciate your gracious words. This means a good deal to all of us at Closer To Truth and to me personally. Much thought and work go into each episode – sometimes for a year or more - and it is gratifying to know that it is well received.

I like the discussion in the German forum. Videos integrating general relativity and quantummechanics is on our list - but it would take many videos, giving proper coverage to the diverse views.

Best regards,
Robert

...und auch Prof. Gerd Ganteför hat kurz geantwortet:

Lieber UN73,

Können wir machen. Jetzt muss ich erstmal mein Buch zuende schreiben. Ist Stress.

Viele Grüsse
Gerd Ganteför

Ich habe mich über beide Rückmeldungen jedenfalls sehr gefreut und vielleicht hören wir ja bald mehr darüber, ob und wie die allgemeine Relativitätstheorie (ART) und Quantenmechanik (QM) zusammenpassen...

UN73 schrieb:

ob und wie die allgemeine Relativitätstheorie (ART) und Quantenmechanik (QM) zusammenpassen

Abgesehen von der Wirkung auf die Raumzeit sehe ich immer noch nicht, was da NICHT zusammenpasst.
Sowohl Graviton als auch Quantisierung kann man doch fiktiv einführen.

Das Photon als Vermittler der em.WW ist lediglich ein Faktor, ob es reale Photonen gibt, ist dafür vollkommen irrelevant.
Das Elektron in der em.WW ist nur ein Faktor, welche Ladung es trägt, ist allein für diesen Faktor maßgeblich, der Wert als solches ist vollkommen egal.

Die Wirkung der Gravitation auf die Raumzeit kann niemand erklären, man kann sie nur beschreiben. Mehr macht die Quantenphysik sowieso nicht. Sie beschreibt nur die WW mit ihren Formeln. Sie müsste also diese Veränderung der Raumzeit den WW-Partnern zuschreiben. Die grav.Zeitdilatation würde also erst durch die WW entstehen und nicht durch die Raumzeit.

Rainer Raisch schrieb in Kommentar #4039:

Abgesehen von der Wirkung auf die Raumzeit sehe ich immer noch nicht, was da NICHT zusammenpasst.
Sowohl Graviton als auch Quantisierung kann man doch fiktiv einführen.

...okay, was ist das Problem?  hier anklicken

UN73 schrieb:

..okay, was ist das Problem?

Er sagt, es ergeben sich Unendlichkeiten.
Dieses Problem gibt es bei der Starken Kraft, weil ihr Kopplungsparameter bei 1 liegt, und daher die Potenzen davon nicht wie bei der em.WW verschwinden.
Der Kopplungsparameter der Gravitatation ist hingegen sehr viel kleiner und die höheren Terme verschwinden daher unmittelbar.

Das ist nicht das Problem, sondern angeblich, dass für r→0 die Gravitation ins Unendliche steigt.

DAS haben wir beim Elektromagnetismus allerdings genauso.

Der einzige Unterschied ist, dass sich zwei gegensätzliche Ladungen zwar unendlich stark anziehen, dass sie aber insgesamt verschwinden, sich gegenseitig ausgleichen, während die Gravitation sich immer weiter addiert.

Für eine Theorie, die nur die WW zwischen jeweils zwei Elementarteilchen beschreibt, ist das jedoch egal, würde ich sagen....es ist ja auch real so.

Rainer Raisch schrieb:

Das ist nicht das Problem, sondern angeblich, dass für r→0 die Gravitation ins Unendliche steigt.
 

Interessante Überlegung. Bei Bosonen gibt es ja kein Pauli-Prinzip und sie können sich theoretisch auch am selben Ort aufhalten.

Bislang habe ich aber noch nichts davon gehört, dass bei Bosonen bei ultrakleinen Abständen die Gravitation eine Rolle spielt.

Was könnte die Ursache davon sein?
- Die Delokation der Bosonen aufgrund von der Heisenbergschen Unschärferelation?
- Eine mögliche Quantisierung des Raums?
- Wirken zwei Teilchen am selben Ort gravitativ nur in Summe auf weitere Teilchen?
- Oder gibt es einen sonstigen Mechanismus, der die Gravitationskraft bei ultrakleinen Entfernungen nicht allzu sehr ansteigen lässt (Newton ist ja nur eine Näherung)?

 

Clauss schrieb:

- Die Delokation der Bosonen aufgrund von der Heisenbergschen Unschärferelation?

Gar keine Frage für mich.

Rainer Raisch schrieb in Kommentar #4039:

"Abgesehen von der Wirkung auf die Raumzeit sehe ich immer noch nicht, was da NICHT zusammenpasst.
Sowohl Graviton als auch Quantisierung kann man doch fiktiv einführen."

Mit dem Standardmodell konnten 3 der 4 fundamentalen Wechselwirkungen (Elektromagnetismus, starke Wechselwirkung und schwache Wechselwirkung) im Rahmen einer Quantenfeldtheorie (QFT) beschrieben werden. Nur die vierte fundamentale Wechselwirkung (Gravitation) entzieht sich. Wobei die Frage, warum denn Gravitation nicht quantisiert und nicht ebenfalls als QFT dargestellt werden können sollte, völlig berechtigt ist. Genau da scheitert es aber...

Prof. Juan Maldacena - Woran scheitert die Quantengravitation?

Prof. Maldacena weist in dem "Closer to Truth" Interview, nachdem er direkt von Robert Kuhn gefragt wird ab 03:42  (*hier anklicken) , was das konkrete Problem sei, wenn versucht wird, die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) und die Quantenmechanik (QM) zu vereinheitlichen, auf das Auftreten von Unendlichkeiten hin, die sich in den quantenmechanischen Gleichungen ergeben, was eine Form der Natur ist zu sagen, dass dies direkt so nicht möglich ist und weitere Annahmen (wie z.B. die Stringtheorie) erfordert.

Rainer Raisch schrieb in Kommentar #4043:

"Er (Prof. Maldacena) sagt, es ergeben sich Unendlichkeiten [...]
DAS haben wir beim Elektromagnetismus allerdings genauso."

Die wesentliche Problematik bei der Formulierung einer Theorie der Quantengravitation besteht darin, dass etablierte Methoden, die für andere Quantenfeldtheorien (QED, QCD, QFD) zur Vermeidung von Unendlichkeiten bekannt sind, sich nicht unmittelbar auf die allgemeine Relativitätstheorie übertragen lassen. Insbesondere scheitert die störungstheoretische Quantisierung und Renormierung der Gravitation (siehe hierzu auch de.wikipedia.org/wiki/Quantengravitation#Probleme )

UN73 schrieb:

Insbesondere scheitert die störungstheoretische Quantisierung und Renormierung der Gravitation

Das könnte an den Methoden liegen ....
Die genaue (nicht lineare) Wirkung der Gravitation wird durch die ART gut beschrieben. Es sollte genügen, diesen Faktor für die QG zu übernehmen.

wiki:
die Eliminierung dieser Unendlichkeiten ist jedoch mit den etablierten Methoden nicht möglich. Qualitativ können die verbleibenden Unendlichkeiten mit der weiter oben beschriebenen Nichtlinearität der Gravitationswechselwirkung erklärt werden, da beim Aufsummieren von Hochenergieprozessen für Gravitonen neue Kopplungsprozesse und resultierende Divergenzen aus Schleifenprozessen entstehen können, welche nicht mehr durch die Parameter der ursprünglichen Lagrangedichte erklärt werden können.

Das lineare Superpositionsprinzip gilt exakt für das Potential Φ.
Φ = -G·Σ(M/r)
Die Nichtlinearität der Wirkungen ergibt sich dann aus dem Shapirofaktor
σ = ²(1+2Φ/c²)

Ich weiß zwar nicht, wie das in der Quantenphysik gerechnet wird, aber der zusätzliche letzte Schritt für die nicht linere Wirkung ist eben der Shapirofaktor.

Achso, die Pointe liegt wohl woanders:

Die Massen M sind ja nicht die Ruhemasse m, sondern die Scheinmasse
M = m+V/c²
Um V zu berechnen, müsste man also bereits das Potential Φ (bzw den Shapirofaktor σ) am Ort der Masse kennen.
Und es kommt natürlich hinzu, dass jede Energieform dazu beiträgt, also auch das jeweilige Energieniveau eines angeregten Atoms, Bindungsenergie anderer Potentiale, Selbstenergie der Ladungen etc.

Genau hier liegt das Problem Rainer:
In der QM muss Du eine Superposition haben. Dafür braucht Du einen linearen Ansatz in der Mathematik. Die Summer der einzelnen Zustände(Lösungen) müssen wieder eine gültige Lösung ergeben.
Die ART hat bereits im Grundsatz keine lineare Lösung. Woher das kommt, ob nach deiner Meinung der Shapirofaktor, ist egal. Die Summer der einzelnen Lösungen ist eben keine gültige Lösung mehr.

Daher forschen so viele bei der AdS/CFT-Dualität. Dort kann an, bei dem Verlust einer Raumdimension von AdS zu CFT, die Berechnungen aus der ART für die QM nutzen. Nur leben wir in keiner 5D-AdS-Raumzeit. Man will aber so viel wie möglich mathematische Zusammenhänge und Werkzeuge finden.

Ich habe oben ergänzt, und ich fürchte, dass dies das größere Problem ist. Allein die Nichtlinearität des Shapirofaktors wird es wohl nicht sein, da diese Formel ja bekannt ist.

Cossy schrieb in Kommentar #4117:

"Daher forschen so viele bei der AdS/CFT-Dualität. Dort kann man, bei dem Verlust einer Raumdimension von AdS zu CFT, die Berechnungen aus der ART für die QM nutzen. Nur leben wir in keiner 5D-AdS-Raumzeit. Man will aber so viel wie möglich mathematische Zusammenhänge und Werkzeuge finden."

Prof. Erik Verlinde hat kürzlich die emergente entropische Gravitation vorgeschlagen, räumte jedoch während eines Interviews mit der internationalen Gesellschaft für Quantengravitation ein, dass auch sein neuer Ansatz zur emergenten entropischen Gravitation für unser Universum (De-Sitter-Raum) noch formeltechnisch ausgearbeitet werden muss (siehe Kommentar #446 weiter oben in diesem Diskussionsfaden).  hier anklicken

Ich hatte zur emergenten entropischen Gravitation von Prof. Erik Verlinde und deren Anwendbarkeit auf den De-Sitter-Raum (kosmologisches Modell für unser physikalisches Universum) auch eine Frage auf Physics Stack Exchange gestellt.  hier anklicken

In Prof. Verlinde's Arbeit aus dem Jahr 2016  hier anklicken , sollen sich wie es der Experte auf Physics Stack Exchange schreibt auch "einige Spuren und heuristische Formeln für den De-Sitter-Raum"  finden...

Hey UN73,

ich weiß, dass Dir der Ansatz von Verlinde gefällt.
Ich hallte diese jedoch für eine reine mathematische Spielerei. Identisch zum Holografischen Prinzip von Susskind, wobei dieser Ansatz sehr nahe bei Ads/CFT dran ist.. 
Einem Ansatz, der die Raumzeit als emergent ansieht kann ich leider nicht folgen.