Verborgene Dimensionen

Wenn wir uns umschauen, nehmen wir im Allgemeinen drei Dimensionen wahr und sind uns mehr oder weniger bewusst, dass sich zu diesen Dimensionen des Raumes noch die Zeit gesellt. Bereits die Zeit ist eine seltsame Dimension, denn offensichtlich gibt es nur eine Richtung, in der wir uns auf ihr bewegen können, aber könnte es nicht noch viele weitere Dimensionen geben, von denen wir im Alltag nichts mitbekommen?

Die Superstringtheorie macht genau diese Voraussage, nach dieser Theorie, die besagt, das die kleinsten Teilchen, wie Quarks und Elektronen, aus schwingenden Saiten bestehen, müsste es noch wenigstens sechs weitere verborgene Dimensionen geben und die Teilchen schwingen dann in einem 10-dimensionalen Raum.

Bisher ist die Stringtheorie nur eine Idee, wie man den Aufbau des Universums einheitlich beschreiben könnte, ohne auf viele Einzeltheorien, wie zum Beispiel eine für Gravitation und eine für elektromagnetische Wechselwirkungen zurückgreifen zu müssen.

Eine direkte Beobachtung der vermuteten Extradimensionen ist leider unmöglich, aber zum Glück ist das auch nicht nötig, da sich die Auswirkungen schon früher zeigen sollten, z. B. durch eine Abweichung der Gravitationsanziehung von der Newton’schen Theorie bei kleinen Abständen.

Möchte man also das Gravitationsgesetz bei kleinen Abständen auf Abweichungen testen – die auf verborgene Dimensionen hinweisen können – so steht man vor dem Problem, dass schon bei 0,1mm Abstand zwischen zwei Probekörpern eine andere Kraft überwiegt.

Bei so geringen Distanzen wird die durch die Vakuumfluktuation hervorgerufene Casimir-Kraft größer als die Gravitationsanziehung. Dabei handelt es sich nicht um eine Kraft im klassischen Sinne, sondern um eine Einschränkung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit für Teilchen in dem fraglichen Zwischenraum. Durch die Vakuumfluktuation entstehen und vergehen ständig Teilchenpaare (ein Teilchen und ein Antiteilchen), das ist möglich, weil sie sich kurzfristig Energie für ihre Entstehung vom Rest des Universums ausborgen und sie bei ihrer gegenseitigen Vernichtung wieder zurückgeben. Bei Abständen unter 0,1 mm sind die Möglichkeiten für die spontane Entstehung von Teilchen eingeschränkt, so dass hier weniger Teilchen entstehen als außerhalb und so vom Vakuum ein Druck auf die Körper ausgeübt wird, der stärker wird, je dichter die Körper einander kommen. Bei 100nm (1nm entspricht einem Millionstel Meter) ist die Casimir-Kraft schon milliardenfach stärker als die Gravitationskraft.

Mit komplizierten Versuchsaufbauten kann man die wirkenden Kräfte bei 200nm inzwischen messen. An der Purdue University wurden 2003 entsprechende Experimente durchgeführt, es konnten aber keine Abweichungen von den etablierten Theorien bestätigt werden, so dass hier leider noch kein Hinweis auf verborgenen Dimensionen zu finden war (interessant sind die Ergebnisse in Bezug auf den Casimir-Effekt natürlich trotzdem für die Nanotechnologie).

Bei den Raumdimensionen haben wir eine relativ gute Vorstellung davon, wie sie unser Universum aufspannen, aber es bleibt die Frage, wo sich die weiteren Dimensionen verstecken könnten. Die Physiker gehen davon aus, dass diese klein zusammengerollt sind, wie bei einem Blatt Papier, das (wenn man seine Dicke mal vernachlässigt) über zwei Dimensionen verfügt. Rollt man das Blatt eng zusammen, bekommt man ein Objekt, das aus einiger Entfernung nur noch eindimensional aussieht – ein Strich. Genau so stellt man sich auch die gesuchten Dimensionen vor. Während die drei Raumdimensionen und die Zeitdimension sich beim Urknall ausdehnten, blieben die übrigen Dimensionen sozusagen aufgerollt und sind auf den Skalen, die wir heutzutage betrachten können, nicht sichtbar. Man bräuchte also nur ein besseres Mikroskop, um nach diesen verborgenen Dimensionen zu fahnden.

Ein solches Mikroskop kann der Large Hadron Collider (LHC) in Genf sein, wenn er nach seiner Reparatur wieder in Betrieb geht. Laut Nima Arkani-Hamed von der Harvard University könnten einige Dimensionen bis zu 1mm groß sein und dann sollten die Energien, mit denen man am LHC experimentieren kann, ausreichen, um Hinweise auf sie zu finden. Ein kleiner Teil der verwendeten Energie könnte in die versteckten Dimensionen in Form von Gravitation verschwinden – denn sie ist die einzige Kraft, die nicht an die vier Dimensionen des Raumzeitkontinuums gebunden ist. Wenn die Dimensionen tatsächlich groß genug wären, käme es zu einer scheinbaren Verletzung der Energieerhaltung, die sich nachweisen lassen müsste.

Für den Fall, dass die Energien am LHC aber nicht ausreichen, weil die Dimensionen noch kleiner aufgewickelt sind, müssen die Forscher aber nicht gleich verzweifeln, sondern nur an einen Ort schauen, an dem die Energien ganz ohne Zweifel ausgereicht haben – den Urknall.

Natürlich ist auch das nicht so ohne weiteres möglich, denn Zeitreise sind nicht drin und das Ereignis liegt 13 Milliarden Jahre in der Vergangenheit, bzw. eben so viele Lichtjahre entfernt. Was man sich aber anschauen kann, ist die Strahlung des Ereignisses, die sich immer noch nachweisen lässt, die kosmische Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung wird inzwischen vom NASA-Satelliten Microwave Anisotropy Probe (WMAP) aufgefangen.

Gary Shiu von der University of Wisconsin-Madison und Henry Tye von Cornell University nutzen diese Daten, um theoretische Vorhersagen über die Struktur der Zusatzdimensionen mit den Beobachtungen zu vergleichen. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass es möglich sein müsste, diese Unterschiede zu sehen und Rückschlüsse daraus zu ziehen. Leider reicht die Genauigkeit der Daten noch nicht, um die einzelnen Vorhersagen über die Geometrie der Extradimensionen zu vergleichen, man setzt die Hoffnungen jetzt auf ESAs Planck-Satellit, der 2009 starten soll und eine wesentlich bessere Auflösung hat.

Und dann gibt es da noch explodierende schwarze Löcher – genau genommen explodieren sie nicht, sondern verdampfen –, die ein Licht auf versteckte Dimensionen werfen könnten. Stephen Hawking hat vorhergesagt, dass schwarze Löcher an Masse verlieren und zwar durch die bereits erwähnte Quantenfluktuation. Entsteht ein Teilchenpaar in der Nähe eines schwarzen Lochs, so kann es passieren, dass ein Teilchen hineinfällt, während das andere entkommen kann. Da die Energie für ihre Entstehung nur geborgt war, muss jetzt das schwarze Loch einspringen, um die Energiebilanz des Universums auszugleichen – es verliert an Masse. Kleine schwarze Löcher, die kurz nach dem Urknall entstanden, mit der Masse eines Asteroiden oder weniger, könnten so schnell an Masse verlieren, dass man ihr verdampfen heute beobachten können müsste.

Wenn das schwarze Loch zu klein wird, um die Extradimensionen zu verbiegen, sollte nach Michael Kavic an der Virginia Tech eine ganz charakteristische Strahlung erzeugt werden, deren Frequenz Rückschlüsse auf die Grüße der verborgenen Dimensionen zulassen sollte.

Mit dem Eight-meter-wavelength Transient Array an der Virginia Tech, das den ganzen Himmel auf einmal nach diesen Radiopulsen absuchen kann, könnten diese speziellen Signale aufgefangen werden und damit nicht nur neue Dimensionen nachweisen, sondern auch Hawkings Vorhersagen über schwarze Löcher bestätigen.

Bleibt zu hoffen, dass sich die Zusatzdimensionen nicht mehr lange vor unseren neugierigen Blicken verbergen können und wir damit eine erste Bestätigung bekommen, dass die Wissenschaftler mit der Stringtheorie auf dem richtigen Weg sind.


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BeitragvonDatumAntworten Letzte Antwort
Casimir-Effect und GravitationAndre Klatt10.04.2013
23:02 Uhr
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