Gravitation in drei plus epsilon Dimensionen

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ist unsere bisher beste Beschreibung der Gravitation. Dennoch bleiben viele ihrer faszinierendsten Vorhersagen etwa die Entstehung Schwarzer Löcher durch Materiekollaps oder die Struktur der Raumzeit nahe Singularitäten äußerst schwierig zu analysieren, und eine konsistente Quantentheorie ist nach wie vor nicht vollständig verstanden. Zur Gewinnung konzeptioneller Einsichten greifen PhysikerInnen häufig auf vereinfachte Gravitationstheorien in niedrigeren Dimensionen zurück: Anstelle von vier Raumzeitdimensionen betrachtet man nur drei oder zwei. Diese Vereinfachung hat jedoch ihren Preis. In zwei Dimensionen existiert die Einsteinsche Gravitation nicht mehr. In drei Dimensionen (3D) gibt es im Gegensatz zur Newtonschen Theorie keine langreichweitige Gravitationskraft, und Schwarze Löcher können nur mit negativer kosmologischer Konstante existieren anders als in unserem Universum. Dieses Projekt verfolgt einen neuartigen Ansatz, um all diese Schwierigkeiten zu überwinden: Gravitation in drei plus Epsilon Dimensionen also in einer Raumzeit mit etwas mehr als drei Dimensionen. Ziel ist die Entwicklung und Analyse einer neuen, Einstein-ähnlichen Gravitationstheorie in D = 3 + e Dimensionen, die zentrale physikalische Eigenschaften wiederherstellt: etwa die Existenz langreichweitiger Newtonscher Kräfte und Schwarzer Löcher ohne kosmologische Konstante. Zudem erlaubt dieser Zugang die Simulation der Entstehung Schwarzer Löcher durch Materiekollaps sowie die Untersuchung universeller kritischer Phänomene ähnlich wie bei Phasenübergängen in der Festkörperphysik. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der numerischen Konstruktion sogenannter Raumzeit-Kristalle mithilfe der Ressourcen des Vienna Scientific Cluster. Diese exotischen Geometrien sind weder Schwarze Löcher noch Vakuum-ähnlich, sondern befinden sich genau an der Schwelle zur Schwarzen- Loch-Bildung. Sie bestimmen die Observablen beim kritischen Gravitationskollaps. Die Größe e übernimmt dabei eine zusätzliche technische Rolle: Sie verhält sich wie eine kleine Kopplungskonstante in der Quantenfeldtheorie und ermöglicht damit den Einsatz perturbativer Methoden. Dies ergänzt bestehende Studien im entgegengesetzten Grenzfall (D 8), in dem Gravitation stark gekoppelt ist. Unter der Leitung des theoretischen Physikers Daniel Grumiller (TU Wien) und unter Beteiligung von Nachwuchsforschenden sowie führenden Kollaborationspartnern in Europa bewegt sich dieses Projekt an der Schnittstelle von klassischer Gravitation, numerischer Relativität, Quantengravitation und Holographie. Es verfolgt das doppelte Ziel, unser fundamentales Verständnis von Gravitation und Schwarzen Löchern zu vertiefen und die nächste Generation theoretischer PhysikerInnen an der Forschungsspitze auszubilden.