Hatte das frühe Universum nur eine räumliche Dimension? Das ist das umwerfende Konzept im Zentrum 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 - war eindimensional (wie eine gerade Linie), bevor es auf zwei Dimensionen (wie eine Ebene) und dann auf drei (wie die Welt, in der wir heute leben) erweitert wird.
Die Theorie würde, falls gültig, wichtige Probleme in der Teilchenphysik ansprechen.
In einem neuen Artikel in Physical Review Letters beschreiben Stojkovic und der Physiker Jonas Mureika von der Loyola Marymount University einen Test, der die Hypothese der „verschwindenden Dimensionen“ beweisen oder widerlegen könnte.
Da es Zeit braucht, bis Licht und andere Wellen zur Erde wandern, können Teleskope, die in den Weltraum blicken, im Wesentlichen in die Zeit zurückblicken, wenn sie die äußeren Bereiche des Universums untersuchen.
Gravitationswellen können im ein- oder zweidimensionalen Raum nicht existieren. Daher haben Stojkovic und Mureika argumentiert, dass die Laserinterferometer-Weltraumantenne (LISA), ein geplantes internationales Gravitationsobservatorium, keine Gravitationswellen erfassen sollte, die aus den niederdimensionalen Epochen des frühen Universums stammen.
Stojkovic, ein Assistenzprofessor für Physik, sagt, dass die Theorie der sich entwickelnden Dimensionen eine radikale Veränderung gegenüber 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 Raums abhängt, den wir beobachten, wobei kleinere Räume mit weniger Dimensionen verbunden sind. Das bedeutet, dass sich - falls noch nicht geschehen - eine vierte Dimension öffnet, wenn 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 Post-Urknall-Universum verbunden sind.
Wenn Stojkovic und seine Kollegen Recht haben, werden sie dazu beitragen, grundlegende Probleme mit dem Standardmodell der Teilchenphysik anzugehen, einschließlich der folgenden:
Die Inkompatibilität zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie. Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie sind mathematische Rahmenbedingungen, die die Physik des Universums beschreiben. Die Quantenmechanik kann das Universum in sehr kleinen Maßstäben gut beschreiben, während die Relativitätstheorie das Universum in großen Maßstäben gut beschreiben kann. Derzeit werden die beiden Theorien als inkompatibel angesehen. Wenn das Universum auf seinen kleinsten Ebenen jedoch weniger Dimensionen hätte, würden mathematische Diskrepanzen zwischen den beiden Gerüsten verschwinden.
Physiker haben beobachtet, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, und sie wissen nicht warum. Das Hinzufügen neuer Dimensionen, wenn das Universum wächst, 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 voraus, das Higgs-Boson genannt wird. Damit Gleichungen im Standardmodell die beobachtete Physik der realen Welt genau beschreiben können, müssen Forscher die Masse des Higgs-Bosons künstlich an Wechselwirkungen zwischen Teilchen anpassen, die bei hohen Energien stattfinden. Wenn der Raum bei hohen Energien weniger Dimensionen hat, verschwindet die Notwendigkeit für diese Art der „Abstimmung“.
"Was wir hier vorschlagen, ist ein Paradigmenwechsel", sagte Stojkovic. "Die Physiker haben seit 10, 20, 30 Jahren mit denselben Problemen zu kämpfen, und eine einfache Erweiterung der bestehenden Ideen wird sie wahrscheinlich nicht lösen."
„Wir müssen die Möglichkeit berücksichtigen, dass systematisch etwas mit unseren Ideen 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 lange dauern, bis Stojkovic und seine Kollegen ihre Ideen auf diese Weise testen können.
Einige experimentelle Hinweise deuten jedoch bereits auf die mögliche Existenz eines niederdimensionalen Raums hin.
Insbesondere haben Wissenschaftler beobachtet, dass der Hauptenergiefluss von Teilchen der kosmischen Strahlung mit Energien über 1 Teraelektronvolt - die Art von hoher Energie, die mit dem sehr frühen Universum verbunden ist - entlang einer zweidimensionalen Ebene ausgerichtet ist.
Wenn hohe Energien mit dem Raum niedrigerer Dimensionen korrespondieren, wie es die Theorie der „verschwindenden Dimensionen“ vorschlägt, sollten Forscher, die mit dem Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider in Europa arbeiten, planare Streuung bei solchen Energien sehen.
Stojkovic sagt, die Beobachtung solcher Ereignisse wäre "ein sehr aufregender, unabhängiger Test unserer vorgeschlagenen Ideen".
Quellen: EurekAlert, Physical Review Letters.
