Die allgemeine Relativitätstheorie, Einsteins Gravitationstheorie, liefert uns eine nützliche Grundlage für die mathematische Modellierung des Universums im großen Maßstab - während die Quantentheorie eine nützliche Grundlage für die Modellierung der subatomaren Teilchenphysik und der wahrscheinlichen Physik im kleinen Maßstab mit hoher Energiedichte von liefert das frühe Universum - Nanosekunden nach dem Urknall - das die allgemeine Relativitätstheorie nur als Singularität modelliert und zu diesem Thema nichts anderes zu sagen hat.
Quantengravitationstheorien können mehr zu sagen haben. Durch die Erweiterung der allgemeinen Relativitätstheorie in eine quantisierte Struktur für die Raumzeit können wir möglicherweise die Lücke zwischen der Physik im kleinen und großen Maßstab schließen. Zum Beispiel gibt es eine doppelt spezielle Relativitätstheorie.
Bei der herkömmlichen speziellen Relativitätstheorie können zwei verschiedene Trägheitsreferenzrahmen die Geschwindigkeit desselben Objekts unterschiedlich messen. Wenn Sie also in einem Zug sitzen und einen Tennisball nach vorne werfen, können Sie ihn mit einer Geschwindigkeit von 10 Stundenkilometern messen. Aber jemand anderes, der auf dem Bahnsteig des Bahnhofs steht und Ihren Zug mit 60 Stundenkilometern vorbeifährt, misst die Geschwindigkeit des Balls mit 60 + 10 - d. H. 70 Stundenkilometern. Geben oder nehmen Sie ein paar Nanometer pro Sekunde, Sie sind beide richtig.
Wie Einstein jedoch betonte, führen Sie dasselbe Experiment durch, bei dem Sie einen Fackelstrahl leuchten lassen, anstatt einen Ball nach vorne in den Zug zu werfen. Sowohl Sie im Zug als auch die Person auf dem Bahnsteig messen die Geschwindigkeit des Fackelstrahls als Lichtgeschwindigkeit - ohne diese zusätzlichen 60 Kilometer pro Stunde - und Sie haben beide Recht.
Es stellt sich heraus, dass für die Person auf dem Bahnsteig die Geschwindigkeitskomponenten (Entfernung und Zeit) im Zug geändert werden, so dass die Entfernungen verringert und die Zeit erweitert werden (d. H. Langsamere Uhren). Und durch die Mathematik der Lorenz-Transformationen werden diese Effekte umso deutlicher, je schneller der Zug fährt. Es stellt sich auch heraus, dass die Masse der Objekte im Zug ebenfalls zunimmt - obwohl sich der Zug, bevor jemand danach fragt, selbst bei 99,9999 (usw.) Prozent der Lichtgeschwindigkeit nicht in ein Schwarzes Loch verwandeln kann.
Die doppelt spezielle Relativitätstheorie schlägt nun vor, dass nicht nur die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von Ihrem Bezugsrahmen immer gleich ist, sondern auch die Planck-Einheiten von Masse und Energie immer gleich sind. Dies bedeutet, dass relativistische Effekte (wie die Masse, die im Zug zuzunehmen scheint) im Planck-Maßstab (d. H. Sehr klein) nicht auftreten - obwohl in größeren Maßstäben eine doppelt spezielle Relativitätstheorie Ergebnisse liefern sollte, die nicht von der herkömmlichen speziellen Relativitätstheorie zu unterscheiden sind.
Die doppelt spezielle Relativitätstheorie könnte auch auf eine Theorie der Quantengravitation verallgemeinert werden, die, wenn sie von der Planck-Skala aus erweitert wird, Ergebnisse liefern sollte, die nicht von der allgemeinen Relativitätstheorie zu unterscheiden sind.
Es stellt sich heraus, dass auf der Planck-Skala e = m ist, obwohl auf der Makroskala e = mc2. Und auf der Planck-Skala beträgt eine Planck-Masse 2,17645 × 10-8 kg - angeblich die Masse eines Floh-Eies - und hat einen Schwarzschild-Radius von einer Planck-Länge - was bedeutet, dass wenn Sie diese Masse auf ein so kleines Volumen komprimieren, es zu einem sehr kleinen Schwarzen Loch wird, das eine Planck-Energieeinheit enthält.
Anders ausgedrückt, auf der Planck-Skala wird die Schwerkraft zu einer bedeutenden Kraft in der Quantenphysik. Obwohl alles, was wir sagen, ist, dass es eine Planck-Einheit der Gravitationskraft zwischen zwei Planck-Massen gibt, wenn sie durch eine Planck-Länge getrennt sind - und eine Planck-Länge ist übrigens die Entfernung, um die sich das Licht innerhalb einer Einheit der Planck-Zeit bewegt!
Und da eine Planck-Energieeinheit (1,22 × 1019 GeV) wird als die maximale Energie von Partikeln angesehen - es ist verlockend zu bedenken, dass dies Bedingungen darstellt, die in der Planck-Epoche erwartet werden und die allererste Stufe des Urknalls sind.
Es klingt alles furchtbar aufregend, aber diese Denkweise wurde als nur ein Trick kritisiert, um die Mathematik besser funktionieren zu lassen, indem wichtige Informationen über die betrachteten physikalischen Systeme entfernt werden. Sie riskieren auch, die Grundprinzipien der konventionellen Relativitätstheorie zu untergraben, da eine Planck-Länge, wie im folgenden Artikel dargelegt, unabhängig vom Referenzrahmen eines Beobachters als unveränderliche Konstante betrachtet werden kann, während die Lichtgeschwindigkeit bei sehr hohen Energiedichten variabel wird.
Da jedoch nicht einmal vom Large Hadron Collider erwartet wird, dass er direkte Beweise dafür liefert, was auf der Planck-Skala passieren kann oder nicht, scheint es vorerst der beste Weg zu sein, die Mathematik besser zu machen.
Weiterführende Literatur: Zhang et al. Photonengasthermodynamik in doppelt spezieller Relativitätstheorie.
