Aus einer Pressemitteilung der University of Buffalo:
Hatte das frühe Universum nur eine räumliche Dimension? Das ist das verblüffende Konzept im Herzen einer Theorie, die der Physiker Dejan Stojkovic von der Universität in Buffalo und Kollegen im Jahr 2010 vorgeschlagen haben. Sie schlugen vor, dass das frühe Universum – das von einem einzigen Punkt aus explodierte und zunächst sehr, sehr klein war – eindimensional (wie eine gerade Linie) vor der Erweiterung auf zwei Dimensionen (wie eine Ebene) und dann drei (wie die Welt, in der wir heute leben).
Die Theorie würde, wenn sie gültig ist, wichtige Probleme der Teilchenphysik ansprechen.
Jetzt beschreiben der Physiker Jonas Mureika von Stojkovic und Loyola Marymount University in einem neuen Artikel in Physical Review Letters einen Test, der die Hypothese der „verschwindenden Dimensionen“ beweisen oder widerlegen könnte.
Da es Zeit braucht, bis Licht und andere Wellen zur Erde gelangen, können Teleskope, die in den Weltraum blicken, im Wesentlichen in die Zeit zurückblicken, während sie die äußeren Bereiche des Universums untersuchen.
Gravitationswellen können nicht im ein- oder zweidimensionalen Raum existieren. So argumentierten Stojkovic und Mureika, dass die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), ein geplantes internationales Gravitationsobservatorium, keine Gravitationswellen aus den niederdimensionalen Epochen des frühen Universums nachweisen sollte.
Stojkovic, Assistenzprofessor für Physik, sagt, dass die Theorie der sich entwickelnden Dimensionen einen radikalen Wandel von der Art und Weise darstellt, wie wir über den Kosmos denken – über die Entstehung unseres Universums.
Die Kernidee ist, dass die Dimensionalität des Raums von der Größe des beobachteten Raums abhängt, wobei kleinere Räume mit weniger Dimensionen verbunden sind. Das bedeutet, dass sich eine vierte Dimension öffnen wird – falls noch nicht geschehen – während sich das Universum weiter ausdehnt.
Die Theorie legt auch nahe, dass der Raum bei sehr hohen Energien weniger Dimensionen hat, wie sie mit dem frühen Universum nach dem Urknall verbunden sind.
Wenn Stojkovic und seine Kollegen recht haben, werden sie dabei helfen, grundlegende Probleme mit dem Standardmodell der Teilchenphysik zu lösen, darunter die folgenden:
Die Inkompatibilität zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie. Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie sind mathematische Rahmen, die die Physik des Universums beschreiben. Die Quantenmechanik ist gut darin, das Universum auf sehr kleinen Skalen zu beschreiben, während die Relativitätstheorie das Universum auf großen Skalen gut beschreiben kann. Derzeit gelten die beiden Theorien als inkompatibel; aber wenn das Universum auf seinen kleinsten Ebenen weniger Dimensionen hätte, würden mathematische Diskrepanzen zwischen den beiden Systemen verschwinden.
Physiker haben beobachtet, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, und sie wissen nicht warum. Das Hinzufügen neuer Dimensionen beim Wachsen des Universums würde diese Beschleunigung erklären. (Stojkovic sagt, dass sich eine vierte Dimension möglicherweise bereits in großen kosmologischen Maßstäben geöffnet hat.)
Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt die Existenz eines noch unentdeckten Elementarteilchens namens Higgs-Boson voraus. Damit Gleichungen im Standardmodell die beobachtete Physik der realen Welt jedoch genau beschreiben können, müssen die Forscher die Masse des Higgs-Bosons für Wechselwirkungen zwischen Teilchen, die bei hohen Energien stattfinden, künstlich anpassen. Wenn der Raum bei hohen Energien weniger Dimensionen hat, entfällt die Notwendigkeit für diese Art von „Tuning“.
„Was wir hier vorschlagen, ist ein Paradigmenwechsel“, sagte Stojkovic. 'Physiker kämpfen seit 10, 20, 30 Jahren mit den gleichen Problemen, und einfache Erweiterungen der bestehenden Ideen werden sie wahrscheinlich nicht lösen.'
„Wir müssen die Möglichkeit berücksichtigen, dass mit unseren Ideen systematisch etwas nicht stimmt“, fuhr er fort. „Wir brauchen etwas Radikales und Neues, und das ist etwas Radikales und Neues.“
Da der geplante Einsatz von LISA noch Jahre entfernt ist, kann es noch lange dauern, bis Stojkovic und seine Kollegen ihre Ideen auf diese Weise testen können.
Einige experimentelle Beweise weisen jedoch bereits auf die mögliche Existenz eines niederdimensionalen Raums hin.
Insbesondere haben Wissenschaftler beobachtet, dass der Hauptenergiefluss von Teilchen der kosmischen Strahlung mit Energien von mehr als 1 Teraelektronenvolt – die Art von hoher Energie, die mit dem sehr frühen Universum verbunden ist – entlang einer zweidimensionalen Ebene ausgerichtet ist.
Wenn hohe Energien dem niederdimensionalen Raum entsprechen, wie es die Theorie der „verschwindenden Dimensionen“ vorschlägt, sollten Forscher, die mit dem Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider in Europa arbeiten, bei solchen Energien planare Streuung sehen.
Stojkovic sagt, die Beobachtung solcher Ereignisse sei „ein sehr spannender, unabhängiger Test unserer vorgeschlagenen Ideen“.
Quellen: EurekAlarm, Physische Überprüfungsbriefe.
