Sub- und Hyperraum

Schaut man sich einen Science-Fiction-Film, insbesondere "Star Trek", an, so tauchen immer wieder die Begriffe Sub- und Hyperraum auf.

Leider gibt es in der Physik keinen Subraum und damit könnte die Diskussion eigentlich beendet sein. Zum Glück brauchen wir uns davon nicht abhalten lassen und die SF-Autoren machen das auch nicht, denn nur weil ein Phänomen noch nicht entdeckt ist, heißt es nicht, das es nicht irgendwo existieren kann. Es heißt nur, dass man Schwierigkeiten bekommt, wenn man einen Physiker von seiner Existenz überzeugen möchte.

Bei "Star Trek" hat der Subraum spezifische Eigenschaften, so ist er überall vorhanden, aber Maße, wie Raum und Zeit, scheinen nicht anwendbar zu sein. Das könnte bedeuten, dass es sich hier um eine weitere Dimension handelt, die sich unseren heutigen Instrumenten entzieht, aber das gilt auch für die zusätzlichen Dimensionen, welche die Quantenmechanik erlaubt.

Der Subraum ist aber auch der Raum zwischen verschiedenen Universen und selbst das ist in der tatsächlichen Physik nicht ganz abwegig. In der M-Theorie, die Universen als unendlich große Membranen betrachtet, gibt es einen Raum zwischen den Universen, und wenn sich die Membrane (in der Theorie auch Brane genannt) berühren, kommt es zu einem neuen Urknall.

Die Idee des Subraums geht nun davon aus, dass dieser quasi in die Tiefe unter den Normalraum geht und je weiter man sich vom Normalraum entfernt, desto weiter lösen sich die bekannten Eigenschaften von Raum und Zeit auf. Diese Vorstellung ist leider nicht vereinbar mit dem Modell, dass die wirkliche Physik von mehrdimensionalen Räumen hat. In der Physik kann man sich entweder in eine bestimmte Dimension bewegen, oder nicht - entweder geht man einen Schritt nach Norden oder man bleibt stehen - Zwischenschritte sind da nicht vorgesehen. Es folgt ein Aber, denn diese Stückelung kennt die Physik durchaus und zwar in der Quantenmechanik. 

Die Quantenmechanik sagt z. B. das Energie in kleinen Paketen abgegeben wird, beispielsweise in Form von Photonen, die in Abhängigkeit von der Frequenz und dem fest stehenden Planck'schen Wirkungsquantum immer ein ganz bestimmtes Quantum an Energie tragen. Eine ähnliche Quantelung kann man sich auch für Raum und Zeit vorstellen. Für diese Dimensionen wären die Längen und Zeiten aber so klein, dass sie mit den bekannten Messmethoden (noch) nicht nachgewiesen werden konnte.

Zurück im Subraum wäre eine Quantelung also nicht ganz so abwegig, wie anfangs angenommen, es könnte durchaus sein, dass das Planck'sche Wirkungsquantum hier viel größer ist und die Sprünge zwischen den Niveaus in dieser Dimension damit bemerkbar werden.

Die Klassifizierung der Subraumschichten nach Energieleveln wäre dann konsistent mit der quantenmechanischen Betrachtung des Phänomens.

In der Quantenmechanik weiß man auch, dass es Fluktuationen gibt, das heißt, ein Objekt kann sich kurzfristig Energie vom Universum ausborgen. Ein Transistor funktioniert deshalb, weil sich die Elektronen Energie ausleihen und so in der Lage sind, eine nichtleitende Barriere zu durchdringen. In gleicher Weise kann man sich denken, dass auch Objekte im Normalraum sich Energie borgen, um in den Subraum einzudringen. Die Wahrscheinlichkeit, tiefere Level zu erreichen, nimmt sehr schnell ab, da hier auf Grund der großen Abstände sehr viel mehr Energie nötig ist. Und die normalen Fluktuationen entzögen sich der Wahrnehmung, zum einen, weil sie nicht weit eindringen, zum anderen, weil sie nur kurze Zeit bestand haben.

Die Subraumniveaus hätten einen weiteren Vorteil im "Star Trek"-Universum, sie würden die Energiebarrieren erklären, die überwunden werden müssen, um immer höhere Warp-Geschwindigkeiten zu erreichen.

Im Gegensatz zum Subraum steht der Hyperraum, der bei vielen anderen SF-Erzählungen Verwendung findet. Zum Einen ist es natürlich eine sprachliche Unterscheidung, um von der Masse abzuheben. Zum Anderen kann der Hyperraum aber auch ganz andere Eigenschaften haben.

In erster Linie ist der Hyperraum ein Konstrukt, dass die Beschränkungen durch die Allgemeine Relativitätstheorie umgehen soll, um Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit zu ermöglichen.

Auch beim Hyperraum geht man davon aus, dass es zusätzliche Dimensionen geben muss, die Abkürzungen gegenüber dem bekannten Raumzeitkontinuum zulassen. Vor allem die Zeit scheint oft im Hyperraum eine geringere Rolle zu spielen, sodass man entfernte Orte im Universum durch diese Abkürzung schneller erreichen kann (und wenn man sich nicht im Normalraum bewegt, kommt man auch nicht mit Einstein ins Gehege). Alternativ kann die Zeit dieselbe bleiben, wenn der Normalraum gekrümmt ist und in einer zusätzlichen Dimension normalerweise weit entfernt Punkte näher bei einander liegen. Man kann sich das wie ein Blatt Papier vorstellen, dass aufgerollt wird. Sticht man mit dem Bleistift durch die Rolle sind Punkte, die auf dem flachen Papier weit auseinander liegen, plötzlich dicht bei zusammen sind, wenn man die Rolle betrachtet.

Kommen wir zurück zur realen Physik und fragen uns, ob es überhaupt eine Möglichkeit gibt, die zusätzlichen Dimensionen zu finden.

Tatsächlich müssten sich die Extradimensionen verraten, wenn sie mit Experimenten, die wir in unserer Raumzeit durchführen wechselwirken. Im einfachsten Fall könnte ich das zeigen, wenn bekannte Erhaltungsgrößen verletzt werden. Energie kann nicht verloren gehen, das sagt uns der Energieerhaltungssatz (so gern die Konstrukteure von Perpetuum mobiles etwas anderes behaupten, der Satz stimmt), wenn wir nun einen Versuch durchführen und feststellen, dass die Energie sich doch verringert hat, dann könnte sie in zusätzliche Dimensionen entfleucht sein.

Eine Möglichkeit, so ein Phänomen zu untersuchen, ist die Messung der Anziehungskraft zwischen Objekten in Abständen unterhalb von Millimetern (genauer 100 Mikrometer oder 0,1 mm). Bisher haben diese Versuche noch keinen Nachweis erbracht, dass Extradimensionen existieren, aber die Empfindlichkeit der Versuchsaufbauten wird ständig verbessert.

Und auch bei Beschleunigerexperimenten könnten sich Effekte zeigen, wenn Teilchen mit hoher Energie kollidieren und ein Teil der Energie zum Beispiel in Form von Gravitonen (der Vermittlerteilchen der Gravitation) in andere Dimensionen entweicht. Gerade bei Beschleunigerexperimenten geht durch die Detektoren ohnehin viel Energie verloren, deshalb ist es nicht einfach, einen zusätzlichen Energieverlust in zusätzliche Dimensionen nachzuweisen. In Versuchen am Beschleuniger am Fermilab in Batavia, Illinois, kann man deshalb nur statische Aussagen machen, indem man die beobachteten Ereignisse mit theoretischen Vorhersagen vergleicht. Einen eindeutigen Nachweis kann es so leider nicht geben, aber die Forscher am Fermilab können immerhin Schätzungen über die maximale Größe der neuen Dimensionen abgeben. Für zwei zusätzliche Dimensionen wären es 0,1 mm, bei 4 Dimensionen 1,4*10-11m und bei 6 Dimensionen 4,2*10-14m. Die Stringtheorie geht von 6-7 zusätzlichen Dimensionen aus. Die Wahrscheinlichkeit, sie zu detektieren, scheint entsprechend gering - kaum vorstellbar, dass sich da ein Raumschiff reinquetschen lässt.


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