Das tägliche Leben hat uns alle mit 3 Dimensionen vertraut gemacht; wir interagieren ständig mit Objekten, die Höhe, Breite und Tiefe haben. Aber warum unser Universum drei räumliche Dimensionen hat, war für Physiker ein Problem, zumal das dreidimensionale Universum innerhalb der Superstring-Theorie oder der Urknall-Kosmologie nicht leicht erklärt werden kann. Kürzlich haben drei Forscher eine Erklärung gefunden.
Die Geschichte des Universums beginnt mit dem Urknall. Bildnachweis: grandunificationtheory.com
Die meisten Astronomen halten sich an die Urknall-Kosmologie, das Modell, das behauptet, dass das Universum aus der Explosion eines unendlich kleinen Punktes geboren wurde. Die Theorie wird durch Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und der Häufigkeit bestimmter natürlich vorkommender Elemente gestützt. Aber die Urknall-Kosmologie steht im Widerspruch zu Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie – die allgemeine Relativitätstheorie lässt keine Situation zu, in der das gesamte Universum ein winziger Punkt ist, was bedeutet, dass diese Theorie allein den Ursprung des Universums nicht erklären kann.
Die Unvereinbarkeit zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Urknall-Kosmologie hat Kosmologen verblüfft. Aber vor fast 40 Jahren entstand die Superstring-Theorie als eine mögliche vereinheitlichende Theorie von allem.
Eine Visualisierung von Strings. Bildnachweis: R. Dijkgraaf.
Die Superstring-Theorie legt nahe, dass die vier fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen – elektromagnetische Kraft, schwache Wechselwirkung, starke Wechselwirkung und Gravitation – als verschiedene Schwingungsmoden sehr kleiner Saiten dargestellt werden. Da die Gravitation eine der fundamentalen Kräfte ist, beinhaltet die Superstringtheorie eine Erklärung der allgemeinen Relativitätstheorie. Das Problem ist, dass die Superstring-Theorie vorhersagt, dass es 10 Dimensionen gibt – 9 räumliche und eine zeitliche. Wie funktioniert das mit unserem dreidimensionalen Universum?
Die Superstring-Theorie ist seit Jahren kaum mehr als eine Theorie geblieben. Die Untersuchungen haben sich auf die Diskussion von Modellen und Szenarien beschränkt, da die eigentliche Berechnung unglaublich schwierig war. Daher blieb die Gültigkeit und Nützlichkeit der Superstring-Theorie unklar.
Aber einer Gruppe von drei Forschern, Associate Professor am KEK Jun Nishimura, Associate Professor an der Shizuoka University Asato Tsuchiya und Projektforscher an der Osaka University Sang-Woo Kim, ist es gelungen, ein Modell der Geburt des Universums basierend auf der Superstring-Theorie zu erstellen.
Mithilfe eines Supercomputers fanden sie heraus, dass das Universum im Moment des Urknalls 10 Dimensionen hatte – 9 räumliche und 1 zeitliche –, aber nur 3 dieser räumlichen Dimensionen expandierten.
Dieses „Babybild“ des Universums zeigt winzige Variationen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlungstemperatur. Hot Spots werden als rot, Cold Spots als dunkelblau dargestellt. Credit: NASA/WMAP Science Team
Das Team entwickelte eine Methode zur Berechnung von Matrizen, die die Wechselwirkungen von Strings darstellen. Sie verwendeten diese Matrizen, um zu berechnen, wie sich der 9-dimensionale Raum im Laufe der Zeit verändert. Als sie sich weiter in der Zeit zurückbewegten, stellten sie fest, dass sich der Raum in 9 Richtungen ausdehnt, aber an einem Punkt beginnen sich nur 3 Richtungen schnell auszudehnen.
Kurz gesagt, der dreidimensionale Raum, in dem wir leben, kann sich aus den 9 ursprünglichen räumlichen Dimensionen ergeben, die die Stringtheorie vorhersagt.
Dieses Ergebnis ist nur ein Teil der Lösung des Rätsels der Raum-Zeit-Dimensionalität, aber es unterstützt nachdrücklich die Gültigkeit der Superstring-Theorie. Es ist jedoch möglich, dass diese neue Methode zur Analyse der Superstring-Theorie mit Supercomputern zu ihrer Anwendung zur Lösung anderer kosmologischer Fragen führt.
Quelle: Der Mechanismus, der erklärt, warum unser Universum mit 3 Dimensionen geboren wurde.