Seit der bahnbrechenden Arbeit von Einstein wird die Gravitation als die Geometrie der Raumzeit definiert - und sogar die Konzepte von Zeit und Raum selbst. Sowohl die Planetenbewegung als auch die Bewegung masseloser Teilchen, das heißt des Lichts, werden zu den geradestmöglichen Bahnen in einer nicht-euklidischen Geometrie.

Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine sehr erfolgreiche Theorie. Ihre Vorhersagen reichen von der Ablenkung des Lichts durch massereiche Körper, die die Raumzeit verzerren (Einstein-Lensing), über die Gravitationsstrahlung, die Energie in Form von "Wellen" in der Raumzeit abtransportiert (binärer Pulsar von Hulse-Taylor), bis hin zur Expansion des Universums (Mikrowellen-Hintergrundstrahlung). Eine der spektakulärsten Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Existenz von Schwarzen Löchern, die inzwischen durch zahlreiche astrophysikalische Beobachtungen indirekt bestätigt wurde.

Offene Fragen

Trotz dieser Erfolge gibt es mehrere ungelöste Probleme in der Gravitationsphysik, von denen einige als die größten Probleme der heutigen theoretischen Physik gelten:

• Das Problem der kosmologischen Konstante bringt eine gigantische Diskrepanz (123 Größenordnungen) zwischen Beobachtung und naiver theoretischer Erwartung mit sich, und bisher gibt es keine befriedigende Erklärung, die diese Diskrepanz auflöst.
• Zahlreiche astrophysikalische und kosmologische Beobachtungen zeigen Diskrepanzen zur allgemeinen Relativitätstheorie auf, es sei denn, wir postulieren die Existenz dunkler Materie, die bisher in Experimenten der Teilchenphysik nicht nachgewiesen wurde.
• Die schwer fassbare Theorie der Quantengravitation ist immer noch eine Theorie im Aufbau, bei der mehrere konzeptionelle und technische Fragen nach Lösungen suchen.
• Die allgemeine Relativitätstheorie sagt ihr eigenes Scheitern als Folge des berühmten Singularitätstheorems voraus. Physikalisch gesehen bedeutet dies, dass die Raumzeit Regionen enthält, in denen die Krümmung unbegrenzt zunimmt. Die bekanntesten Beispiele sind die Singularitäten in Schwarzen Löchern und die Urknallsingularität.

Der Schatten des zentralen supermassiven schwarzen Lochs in M87 erstellt aus Beobachtungen im Jahr 2017 (adaptiert von The Astrophysical Journal Letters 875, L1 (2019), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster).

Symmetrien

Tiefere Einblicke in die Struktur physikalischer Systeme wurden oft durch die Einführung von Symmetrien erreicht. Dadurch wird das Problem in der Regel in einfachere Bausteine zerlegt, die im Idealfall eine vollständige Lösung ermöglichen. Die Schwerkraft ist keine Ausnahme von dieser Regel, da die prototypische Lösung für Schwarze Löcher, die Schwarzschild-Geometrie (die erste exakte nichttriviale Lösung der Einstein-Gleichungen), genau auf diese Weise gefunden wurde, das heißt durch Auferlegung einer sphärischen Symmetrie. Es ist daher naheliegend, bei der Quantisierung der Schwerkraft einen ähnlichen Ansatz zu verfolgen. Die entsprechenden Modelle werden zu Gravitationstheorien in einer 1+1-dimensionalen Raumzeit, die an die Fläche der Zweisphäre gekoppelt ist, die in der reduzierten Theorie zu einer dynamischen Variablen wird. Es gibt mehrere andere Möglichkeiten, wie aus höherdimensionalen Konfigurationen in der Stringtheorie oder der allgemeinen Relativitätstheorie niederdimensionale (1+1 und 2+1) Modelle entstehen. Die Beschreibung der Gravitation in niederen Dimensionen ist eines der wichtigsten Forschungsgebiete unserer Gruppe.

Webseite

Homepage Daniel Grumiller: http://quark.itp.tuwien.ac.at/~grumil/, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Publikationen

H. Balasin, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, D. Grumiller, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, B.Koch, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster