Einstein wird endlich warm für die Quantenmechanik? Forschungsteam definiert Energie neu, um Schwarze Löcher zu erklären

Einstein waren mathematische Herausforderungen nicht fremd. Er bemühte sich, Energie auf eine Weise zu definieren, die sowohl das Gesetz der Energieerhaltung als auch die Kovarianz anerkennt, die das grundlegende Merkmal der Allgemeinen Relativitätstheorie sind, bei der physikalische Gesetze für alle Beobachter gleich sind.

Ein Forschungsteam des Yukawa Institute for Theoretical Physics der Universität Kyoto hat nun einen neuartigen Ansatz für dieses seit langem bestehende Problem vorgeschlagen, indem es Energie definiert, um das Konzept der Entropie zu berücksichtigen. Obwohl große Anstrengungen unternommen wurden, um die Eleganz der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen, sagt Teammitglied Shuichi Yokoyama: “Die Lösung ist erschreckend intuitiv.”

Einsteins Feldgleichungen beschreiben, wie Materie und Energie die Raumzeit formen und wie wiederum die Struktur der Raumzeit Materie und Energie bewegt. Die Lösung dieses Gleichungssystems ist jedoch bekanntermaßen schwierig, beispielsweise beim Festlegen des Verhaltens einer Ladung, die mit einem Energie-Impuls-Tensor verbunden ist, dem problematischen Faktor, der Masse und Energie beschreibt.

Das Forscherteam hat beobachtet, dass die Ladungserhaltung der Entropie ähnelt, die als Maß für die Anzahl der verschiedenen Anordnungsweisen von Teilen eines Systems beschrieben werden kann.

Und da ist der Haken: Die konservierte Entropie widersetzt sich dieser Standarddefinition.

Die Existenz dieser Erhaltungsgröße widerspricht einem als Noether-Theorem bekannten Prinzip der grundlegenden Physik, bei dem die Erhaltung jeder Größe im Allgemeinen aufgrund einer Art Symmetrie in einem System entsteht.

Überrascht, dass andere Forscher diese neue Definition des Energie-Impuls-Tensors noch nicht angewendet haben, fügt ein anderes Teammitglied, Shinya Aoki, hinzu, dass er “auch fasziniert ist, dass in der allgemein gekrümmten Raumzeit eine Erhaltungsgröße auch ohne Symmetrie definiert werden kann”.

Tatsächlich hat das Team diesen neuartigen Ansatz auch angewendet, um eine Vielzahl kosmischer Phänomene wie die Expansion des Universums und Schwarze Löcher zu beobachten. Während die Berechnungen gut mit dem derzeit akzeptierten Entropieverhalten für ein Schwarzschild-Schwarzes Loch übereinstimmen, zeigen die Gleichungen, dass sich die Entropiedichte auf die Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs konzentriert, eine Region, in der die Raumzeit schlecht definiert wird.

Die Autoren hoffen, dass ihre Forschung bei vielen Wissenschaftlern eine tiefere Diskussion nicht nur in der Gravitationstheorie, sondern auch in der Grundlagenphysik anregen wird.