Ludwig-Maximilians-Universität München
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Physik

Die dunkle Seite der Materie

München, 01.06.2014

Operation Graviton: Physiker Georgi Dvali rechnet mit einer besonderen Form von Elementarteilchen. Damit ließen sich Schwarze Löcher und Dunkle Materie durchgängig mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschreiben.

Im Zentrum des Schwarzen Loches? Die Spiralgalaxie M74 – in einer Aufnahme des Hubble-Teleskops. Die Galaxie misst 88.000 Lichtjahre im Durchmesser und ist 30 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Foto: NASA, ESA and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble-Collaboration.

Im Grunde ist das Universum ein großer Widerspruch. Es besteht aus den riesigsten Strukturen, die man sich vorstellen kann: aus Galaxien mit einem Durchmesser von mehr als 50 Trillionen Kilometern, aus Sternen, die fast 100 Millionen Mal so massereich sind wie die Erde. Gleichzeitig wird es regiert von den Gesetzen der Quantenmechanik. Die spielen ihre Macht erst bei Größenordnungen aus, die so winzig sind, dass selbst ein menschliches Haar wie eine eigene Galaxie erscheint.

Lange Zeit haben Physiker diesem scheinbaren Widerspruch wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Sie erklärten das Verhalten von Planeten, Sternen, Galaxien und all den anderen Strukturen im Kosmos mit den klassischen Gesetzen der Schwerkraft – aufgestellt von Isaac Newton und verfeinert von Albert Einstein. Meist ist das gut gegangen. Doch langsam kommen Zweifel auf, ob die Gesetze der Quantenwelt selbst bei derart großen Abmessungen vernachlässigt werden dürfen.

„Ohne das Verständnis der Natur in den kleinsten Maßstäben ist es unmöglich, das Universum als Ganzes zu begreifen“, sagt Georgi Dvali, Lehrstuhlinhaber für Theoretische Teilchenphysik an der LMU und Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München. Der gebürtige Georgier, der als gefragter Wissenschaftler obendrein eine Professur an der New York University innehat, erkundet die Grundlagen von Raum und Zeit. Er sucht nach einer quantenmechanischen Beschreibung der Schwerkraft. Er will die Anfänge und die heutige Zusammensetzung des Universums theoretisch erklären. Ende vergangenen Jahres hat ihn der Europäische Forschungsrat ERC dafür gemeinsam mit dem Kollegen César Gómez vom Instituto de Física Teórica in Madrid mit einem Advanced Investigators Grant ausgezeichnet – einer mit insgesamt etwa 2,5 Millionen Euro dotierten Forschungsförderung.

Der ausgebrannte Riese kollabiert
Im Zentrum von Dvalis Arbeit steht die Untersuchung sogenannter Schwarzer Löcher. Die kosmischen Schwergewichte entstehen, wenn ein Stern am Ende seiner Lebenszeit angekommen ist. Der gesamte Treibstoff, der Jahrmillionen lang die Kernfusion in seinem Innern befeuert hat, ist dann aufgebraucht. Ohne dieses Sonnenfeuer kann sich der Stern nicht mehr dem Druck entgegenstemmen, den die äußeren Schichten seiner Gashülle aufbauen. Der ausgebrannte Riese kollabiert unter seiner eigenen Schwerkraft und schleudert dabei großen Mengen Gas ins All. Übrig bleibt ein kompakter Kern, der weiter in sich zusammenfällt.

Irgendwann ist schließlich so viel Masse auf so wenig Raum konzentriert, dass nicht einmal mehr Licht der Anziehungskraft des kompakten Objekts entkommen kann. Ein Schwarzes Loch ist entstanden. Bei einem Planeten mit der Masse der Erde wäre es etwa einen Zentimeter groß, bei der Sonne gut drei Kilometer. Im Zentrum der meisten Galaxien existieren allerdings deutlich massereichere Schwarze Löcher, deren Entstehung nicht vollständig geklärt ist.

„Schwarze Löcher gehören zu den äußerst mysteriösen Objekten in der Physik“, sagt Dvali. Trotzdem haben Theoretiker sie bislang – ermuntert von den guten Erfahrungen mit Planeten, Sternen, Galaxien – meist wie klassische Objekte behandelt: Die altbewährten Gravitationsgesetze von Newton und Einstein sollten ihren Aufbau und ihr Verhalten erklären.

Bei genauerem Hinschauen bereitet das allerdings große Probleme: Ein Schwarzes Loch ist, wie der Name sagt, schwarz und kugelrund. Weitere Eigenschaften hat es nicht. Folglich macht es auch keinen Unterschied, ob bildlich gesprochen ein Stuhl oder ein Laptop zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Solange beide die gleiche Masse haben, lässt sich das Endergebnis nicht unterscheiden. Die Erinnerung, woraus das Loch entstanden ist, wird ausgelöscht.

„Das stellt uns vor immense Schwierigkeiten“, sagt Dvali. Ausgelöschte Erinnerungen bedeuten, dass das Schwarze Loch keine Information enthalten kann. Information wird in der Physik aber nicht einfach zerstört, sie muss vielmehr stets erhalten bleiben. „Unitarität“ nennen Theoretiker diese Vorgabe. „Sie ist ein extrem wichtiges Prinzip, eines der Fundamente der modernen Physik“, sagt Dvali. Theoretische Überlegungen gehen sogar so weit, dass ein Schwarzes Loch von allen Objekten mit gleicher Masse stets die meiste Menge an Informationen beinhalten sollte. Ein eklatanter Widerspruch zur klassischen Beschreibung.

Das hat bereits der britische Physiker Stephen Hawking erkannt. Im Jahr 1975 postulierte er daher, dass auch Schwarze Löcher Strahlung abgeben können, die sogenannte Hawking-Strahlung. Um sie theoretisch zu begründen, bemühte der Brite Gesetze aus der Quantenwelt, ergänzt um bewährte Ideen aus der Thermodynamik, der Relativitätstheorie und der klassischen Mechanik.

Hawkings Strahlung hat allerdings ein Problem: Die Verteilung ihrer Wellenlängen entspricht der einer x-beliebigen Wärmequelle. Damit kann auch sie keine zusätzlichen Informationen aus dem Schwarzen Loch übertragen. „Der Ansatz bleibt somit auf halbem Weg stecken“, sagt Dvali.

Stets im Zustand des Phasenübergangs
Der Wissenschaftler versucht deshalb, die Schwarzen Löcher komplett quantenmechanisch zu beschreiben. Geht es nach Dvali, dann setzt sich ein Schwarzes Loch aus unzähligen „Gravitonen“ zusammen. Die hypothetischen Quantenteilchen sollen nicht nur die Schwerkraft vermitteln, sie befinden sich dabei auch in einem ganz besonderen Zustand: Sie verharren inmitten eines sogenannten Phasenübergangs.

Das physikalische Phänomen ist fernab der Quantenwelt wohlbekannt: Wenn in einem Gefäß voller Wasserdampf die Temperatur sinkt oder der Druck steigt, geht das Wasser vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand über. „Normale Systeme bleiben allerdings nie an der Schwelle dieses Phasenübergangs stehen“, sagt Dvali.

Quantenmechanische Schwarze Löcher sind anders. Dvalis Berechnungen zufolge befinden sich ihre Gravitonen stets im Zustand des Phasenübergangs. Der Theoretiker vergleicht den Vorgang mit einem Volk, das kurz vor einer Revolution steht. Jeder ist extrem unglücklich, jeder wartet nur darauf, dass ein Funke die angespannte Situation explodieren lässt. „Normalerweise kann das nicht ewig so weitergehen“, sagt Georgi Dvali. Werden die Wortführer des Aufstands allerdings konsequent aus der Gesellschaft entfernt, dann ändert sich zwar nichts an der Unzufriedenheit des Volkes, die Revolution bleibt trotzdem aus.

Genau das passiert in einem Schwarzen Loch. Die Gravitonen interagieren fortwährend miteinander. Dabei werden die Quantenteilchen mit der höchsten Energie – ob sie wollen oder nicht – aus dem System geschleudert. Die zurückbleibenden Teilchen rücken etwas näher zusammen, dadurch steigt jedoch ihre gegenseitige Anziehungskraft. Den Phasenübergang schaffen sie deshalb trotzdem nicht. Von außen betrachtet sieht es so aus, als würde das Loch kontinuierlich Strahlung abgeben. Das erklärt die mysteriöse Hawking-Strahlung. Und das löst das vermeintliche Informations-Paradoxon der Schwarzen Löcher.

„Unsere Erkenntnisse eröffnen zudem eine völlig neue Richtung für die Forschung“, sagt Dvali. Kurz nach dem Urknall, in den ersten Augenblicken des Universums, war die Materie ähnlich stark zusammengepresst wie in heutigen Schwarzen Löcher. Dann, 10-37 Sekunden nach dem großen Knall, begann eine Phase, die Astrophysiker als Expansion bezeichnen. Jeder Fleck des Mini-Universums begann sich zu verdoppeln – ähnlich wie bei der Zellteilung, die aus einer einzigen befruchteten Eizelle einen Menschen werden lässt.

100 Millionen Tonnen leicht
Mit den Methoden der klassischen Physik lässt sich dieser Vorgang zurück bis zur etwa 60. Verdopplung nach dem Urknall verfolgen. Der Rest verschwindet im Nebel des physikalisch Ungewissen. „Mit unseren neuen Quantenprinzipien können wir dagegen die gesamte Geschichte des Universums nachvollziehen“, sagt Georgi Dvali.

Die neue Theorie zu den Schwarzen Löchern hat noch andere Folgen. Bislang sind Astrophysiker davon ausgegangen, dass besonders leichte Löcher mit einer Masse von weniger als 100 Millionen Tonnen infolge der Hawking-Strahlung längst verdampft sein müssen – sofern sie überhaupt existiert haben. Die quantenmechanische Beschreibung erlaubt dagegen Schwarze Löcher mit vielen unterschiedlichen Massen. Die ältesten von ihnen könnten seit dem Urknall existieren.

Das eröffnet völlig neue Erklärungsansätze für ein Phänomen, das Astrophysiker „Dunkle Materie“ getauft haben: Die gemeinsame Anziehungskraft aller sichtbaren Sterne im Universum reicht bei weitem nicht aus, um die dichte Zusammenballung der Galaxien zu erklären. Hierfür muss eine weitere, unsichtbare Kraft verantwortlich sein. Die Quelle dieser bislang unbekannten Gravitationswirkung nennen Kosmologen Dunkle Materie. Berechnungen zufolge macht sie etwa 80 Prozent der reinen Materie im Universum aus.

„Alle bisherigen Theorie gehen typischerweise davon aus, dass ein unbekanntes Teilchen für die Dunkle Materie verantwortlich ist“, sagt Georgi Dvali. „Unseren Überlegungen zufolge könnte sie genauso gut aus winzigen Schwarzen Löchern mit unterschiedlicher Masse bestehen.“ Die kleinsten Vertreter dieser Mikrolöcher würden sich dabei wie ein extrem kurzlebiges Elementarteilchen verhalten. Sie sollten folglich, so hoffen Dvali und sein spanischer Kollege César Gómez, in Teilchenbeschleunigern wie dem Genfer Large Hadron Collider (LHC) sichtbar werden.

Als die Idee vor einigen Jahren aufkam, war die Aufregung groß. Kritiker des LHC befürchteten, die Mikrolöcher aus dem Beschleuniger könnten die Erde verschlingen; sogar Gerichtsprozesse wurden angestrengt. „Dabei beruhte all das auf einer Fehlinterpretation unserer Theorie“, klagt Dvali.

Mehr als vier Jahre nach der Inbetriebnahme des LHC existiert die Erde immer noch. Fündig geworden ist der Beschleuniger in der Zwischenzeit allerdings nicht: Eigentlich müssten die winzigen Löcher, so die Vorhersage, im LHC sofort in andere Teilchen zerfallen. Eine Lawine unterschiedlicher Partikel sollte entstehen und auf die Detektoren einprasseln. Bislang konnte dies in Genf nicht nachgewiesen werden.

An der Schwelle zu einer anderen Quantenphase
Die Theoretiker sind sich allerdings auch nicht hundertprozentig sicher, nach welchen Signalen sie überhaupt suchen sollen. Sie müssen sich vielmehr durch das dichte Hintergrundrauschen kämpfen, das entsteht, wenn 600 Millionen Protonen pro Sekunde miteinander kollidieren. Zudem arbeitet der LHC, der gerade stillsteht und auf neue Aufgaben vorbereitet wird, noch nicht mit der höchstmöglichen Energie.

Der Genfer Beschleuniger ist indes nicht die einzige Möglichkeit, Dvalis Theorie nachzuweisen: Falls im frühen Universum tatsächlich die errechneten Regeln der Quantengravitation gegriffen haben sollten, müsste sich das noch heute am Himmel bemerkbar machen – in Form sogenannter Gravitationswellen. Erst kürzlich, Anfang 2016, haben die Wissenschaftler des internationalen Ligo-Experiments bekannt gegeben, dass sie Hinweise auf genau diese Verzerrungen in Raum und Zeit gefunden haben. Die neuen Erkenntnisse aus den Frühzeiten des Universums werfen Fragen auf, die sich nur mit einem besseren Verständnis der Schwerkraft auf den kleinsten Maßstäben beantworten lassen – genau bei diesem Verständnis könnten die Ideen von Dvali und Gómez helfen.

Im Prinzip sollte es sogar möglich sein, in irdischen Labors ähnliche Bedingungen zu erschaffen, wie im Innern eines Schwarzen Lochs. Quantenoptiker wollen dazu ein System modifizieren, das sie Bose-Einstein-Kondensat nennen. Alle darin enthaltenen Teilchen befinden sich – ganz ähnlich wie die Gravitonen eines Schwarzen Lochs – im selben quantenmechanischen Zustand, just an der Schwelle zu einer anderen Quantenphase. „Es wäre absolut fantastisch, wenn wir damit die Physik in einem Schwarzen Loch simulieren könnten“, sagt Georgi Dvali.

Der Theoretiker ist jedenfalls zuversichtlich, dass seine Ideen eines Tages in der Praxis bestätigt werden – „hundertprozentig zuversichtlich sogar“, sagt er. Die Quantentheorie der Schwarzen Löcher ist für Dvali vergleichbar mit dem Higgs-Boson, dessen Nachweis im vergangenen Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Auch seine Existenz sei vor langer Zeit vorhergesagt worden, auch seine Eigenschaften seien so logisch und offensichtlich gewesen, dass es einfach gefunden werden musste.

Falls nicht, wäre das für den Physiker eine große Überraschung, ein Wunder: „Bei unserer Theorie setzen wir lediglich voraus, dass sich ein Schwarzes Loch aus einzelnen Bestandteilen, den Gravitonen, zusammensetzen muss. Alles andere ist Mathematik, alles andere lässt sich ableiten“, sagt Georgi Dvali. „Ich weiß nicht, wie das schiefgehen könnte – es sei denn, die Natur ist völlig verrückt geworden.“
Alexander Stirn (Forschungsmagazin Einsichten 1/2014)

Prof. Dr. Georgi Dvali ist Lehrstuhlinhaber für Theoretische Physik an der LMU und Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München. Außerdem ist er Professor an der New York University (NYU). Dvali, Jahrgang 1964, promovierte an der Staatlichen Universität Tiflis, Georgien, forschte an Einrichtungen in Triest, Genf, Pisa und an der NYU. 2008 wurde er mit einer hochdotierten Humboldt-Professur ausgezeichnet, die ihn nach München brachte, 2013 mit einem Advanced Grant des Europäischen Forschungsrates.

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