Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung des Raums der möglichen physikalischen Theorien. Diejenigen, die mit den allgemeinen Prinzipien der Quantengravitation übereinstimmen, gehören zur Landschaft, während diejenigen, die nicht mit der Quantengravitation übereinstimmen, zum Sumpfgebiet gehören. (Bild: Eran Palti/Ben Gurion University of the Negev)

Quantengravitation: Deutsch-israelische Kooperation unter Dach und Fach

Die israelische Ben-Gurion-Universität des Negev und das Max-Planck-Institut für Physik (MPP) werden auf dem Gebiet der Quantengravitation künftig eng zusammenarbeiten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bewilligte kürzlich ein in diesem Feld einmaliges, auf drei Jahre ausgelegtes, Kooperationsprojekt. Die Fördersumme beläuft sich auf 1,6 Millionen Euro. In das Projekt sind auch Wissenschaftler*innen der Universität Würzburg, der Universität Hamburg, von DESY in Hamburg und des Weizmann-Instituts in Israel eingebunden.

Die moderne Grundlagenphysik ruht auf zwei Säulen: Die Quantenmechanik beschreibt die subatomare Welt der Materieteilchen und ihrer Austauschkräfte, die Gravitationstheorie die Physik auf den großen Skalen des Universums. Bis heute stehen die beiden wichtigen Theorien jedoch für sich und lassen sich nicht in Einklang bringen. So finden in dem auf Quantenmechanik basierenden, hochpräzisen Standardmodell alle Teilchen und Kräfte einen Platz – mit Ausnahme der Schwerkraft. 

Schon seit geraumer Zeit versuchen Physiker*innen beide Theorien unter das gemeinsame Dach einer "Quantengravitation" zu stellen. Bisher ist nicht klar, wie diese aussehen könnte. Wie lässt sich eine solche Theorie formen? Ein recht neuer Ansatz besteht darin, zunächst die allgemeinen Prinzipien zu formulieren, denen jede neue Theorie für Quantengravitation folgen muss. Bereits jetzt zeichnet sich eine solche Grundregel ab: Die Gravitation muss immer die schwächste Kraft unter den vier fundamentalen Austauschkräften sein.  

Diese Methode, die neue Theorie auf den Weg zu bringen, heißt in der Fachwelt Swampland-Programm. Dieses „Sumpfgebiet“ wollen die Kooperationspartner in den kommenden Jahren erkunden. Ziel ist es, ein grundlegendes Regelwerk die Quantengravitation zu entwickeln – und festzustellen, wie sich dieses auf bestehende Theorien auswirkt.  

„Dabei wenden die beteiligten Wissenschaftler*innen einen vollständig neuen Ansatz an, der auf dem holographischen Prinzip beruht", erklärt Dieter Lüst, Direktor am MPP und einer der beiden Initiatoren des Projekts. "Sie verbinden Stringtheorie mit Swampland- und Holographie-Ansätzen, um für eines der großen Themen der Physik eine Lösung zu finden: Eine einheitliche Theorie für Quantenmechanik und Gravitation." 

Sein Kollege Eran Palti von der Ben-Gurion Universität ergänzt: "Dank dieser neuen und in dieser Form einzigartigen deutsch-israelischen Kooperation sind wir in der Lage, die besten Expert*innen in diesen Disziplinen zusammenzubringen. Wir hoffen mit diesem Projekt einen starken Impuls für die gesamte theoretische Teilchenphysik zu setzen."