Donnerstag, 21. April 2011

Hatte das frühe Universum nur eine Dimension?

Grafische Darstellung der dimensionalen Ausdehnung ausgehend von der Urknall-Singularität bis zur dritten Dimension des Raums (Illu. nicht Teil der Arbeit von Stojkovic et al.) | Quelle/Copyright: grenzwissenschaft-aktuell.de

Buffalo/ USA - US-Forscher erarbeiten derzeit einen Test für ihre Theorie, nach der das frühe Universum nur eine Dimension hatte. Sollte sich dieses Konzept bestätigen lassen, könnte es grundlegende physikalische Fragen beantworten.

Die Theorie eines frühen eindimensionalen Universums wurde zum ersten Mal 2010 von einem Team von Wissenschaftlern um Dejan Stojkovic von vorgestellt. Grundlage der Theorie ist die Annahme, dass das Universum aus einem einzigen winzig kleinen Punkt heraus, explosionsartig im sog. Urknall entstand. Zunächst sei es (wie etwa eine gerade Linie) eindimensional gewesen, habe sich dann in die Fläche zu zwei und danach zu den drei (oder mehreren) Dimensionen ausgedehnt, die wir heute kennen.

In einem Artikel, der im Fachmagazin "Physical Review Letters" veröffentlicht wurde, beschreiben Stojkovic (University at Buffalo) und Jonas Mureika von der "Loyola Marymount University" nun, wie sie die Theorie zukünftig auf die Probe stellen wollen.

Grundlage für diesen Test ist der Umstand, dass wir aufgrund der Zeit, die das Licht braucht, um durch die Weiten des Raums zur Erde zu gelangen, mit Teleskopen rückwärts in der Zeit blicken können, je weiter wir das von uns entfernte Weltall betrachten und sogenannte Gravitationswellen (also Wellen in der Raumzeit, die den Raum durchqueren und ihn dabei stauchen und strecken und anhand ihrer Auswirkungen auf astronomische Objekte indirekt nachgewiesen werden können) nicht in einem ein- oder nur zweidimensionalen Raum existieren können.

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Mit der "Laser Interferometer Space Antenna" (LISA), einem international geplanten Weltraumobservatorium für den Nachweis von Gravitationswellen, wollen die Forscher zurück in die Zeit blicken und erwarten für den Fall, dass ihre Theorie stimmt, hier in den frühen Epochen des Universums, keine Gravitationswellen vorfinden zu können.

"Die Vorstellung von sich nach und nach entwickelnden Dimensionen stellt eine völlige Abkehr von den bisherigen Theorien über den Kosmos und darüber dar, wie unser Universum entstanden ist", so Stojkovic über seine Theorie.

"Die Grundidee ist jene, dass die Dimensionalität des Raumes von dessen Größe abhängt. Kleinere 'Räume' hätten demnach weniger Dimensionen als größere. Zugleich würde dies bedeuten, dass sich - sollte dies nicht schon passiert sein - eine vierte (und weitere) Dimensionen 'öffnen', sobald durch die Ausdehnung des Universums auch mehr Raum entsteht." Das frühe hochenergetische Universum, unmittelbar nach dem Urknall, sollte also weniger Dimensionen haben als das heutige.

Sollte sich diese Theorie bestätigen lassen, würde dies helfen, einige der bisherigen Probleme angesichts vieler Probleme angesichts des physikalischen Standardmodells zu verstehen.

So könnte, laut den Forschern, die Theorie die heutigen vermeintlichen Gegensätze von Quantenmechanik, wie sie das Universum im kleinsten Maßstab beschreibt, und die die Dinge im Großen beschreibende Relativität erklären.

- Auch würde die Theorie ein neues Licht auf Fragen nach der beschleunigten Expansionsrate des Universums werfen, wie sie bislang noch nicht beantwortet wurden - sollte sich diese Ausdehnung erwartungsgemäß doch eigentlich abschwächen. Hier könnten mit zunehmender Ausdehnung des Universums hinzukommende Dimensionen also die zu beobachtende Beschleunigung durchaus erklären.

- Selbst für die Teilchenphysik, würde die bislang notwendige Anpassung der Masse sogenannter "Higgs-Boson"-Teilchen angesichts weniger Dimensionen bei höherer Energie entfallen.

"Seit bis zu 30 Jahren schlagen sich Physiker mit diesen und anderen Problemen herum und lediglich die Ausweitung bereits vorhandener Ideen, wird diese wahrscheinlich nicht lösen können", so Stojkovic. "(...) Wir müssen also die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass irgendetwas an unseren bisherigen Vorstellungen grundlegend falsch sein könnte. Wir brauchen also etwas radikal Neues und unsere Theorie ist genau das."

Bis zum eigentlichen Test ihrer Theorie mit dem LISA-Observatorium müssen sich die Forscher jedoch noch auf ungewisse Zeit gedulden, da der Start des Weltraumteleskops als Gemeinschaftsprojekt von NASA und ESA bislang erst für 2019 oder sogar noch später vorgesehen ist.

Doch schon jetzt glauben die Wissenschaftler um Stojkovic Hinweise auf eine frühere geringere Dimensionalität des Universums gefunden zu haben: "(Andere) Wissenschaftler haben beobachtet, dass der Fluss von kosmischen Strahlenpartikeln mit Energiepotentialen von mehr als einem Tera-Elektronenvolt - also jener Hochenergie, wie sie im frühen Universum angenommen wird, sich in einer zweidimensionalen Ebene ausbreitet. Auch mit dem Large Hardon Teilchenbeschleuniger (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN sollten entsprechend hohe Energien mit einer zweidimensionalen flächenmäßigen Verteilung gemessen werden können und würden dann, so Stojkovic, eine "sehr aufregende und unabhängige Bestätigung der von uns vorgeschlagenen Theorie darstellen."

Quellen: grenzwissenschaft-aktuell.de / buffalo.edu
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