SEATTLE-Der Kosmos wäre vollkommen sinnvoll … wenn sich herausstellt, dass wir in einem 10 – oder 11-dimensionalen Bereich leben, in dem die Schwerkraft vollständig von einer anderen Ebene sprudelt. Zumindest ist es das, was sich als das heißeste Konzept an der Grenze der Physik herausstellt.
Obwohl diese wie praktisch nicht überprüfbare Behauptungen klingen, versuchen Physiker, Wege zu finden, Beweise zu sammeln, um die derzeit in Mode befindlichen extradimensionalen Theorien zu stützen oder zu widerlegen. Aber es wird mehrere Jahre dauern, um diese Beweise zu bekommen, wenn es überhaupt bekommen werden kann.,
Die Behauptung, dass der Kosmos mehr als die vier Dimensionen hat, die wir wahrnehmen können — also drei räumliche Dimensionen plus Zeit — ist exotisch genug. Aber die Suche nach dem Beweis dafür bringt eine virtuelle Menagerie von Geheimnissen mit sich: Mini-Schwarze Löcher und Dunkle Materie, Gravitationswellen und kosmische Inflation, superhochenergetische Teilchenkollisionen und ultrastarke Gammastrahlenausbrüche.,
Selbst die Physiker hinter der heute am meisten diskutierten extradimensionalen Theorie, Lisa Randall von der Harvard University und Raman Sundrum von der Johns Hopkins University, sind sich noch nicht sicher, ob sich die Ansätze auszahlen werden.
„Nichts kommt mit einer Geld-zurück-Garantie“, sagte Sundrum MSNBC.com.
Warum also die Mühe? Physiker drehen nicht nur diese Geschichten von 11 Dimensionen zur Belustigung von Science-Fiction-Autoren aus. Vielmehr scheinen unsichtbare Dimensionen die beste Hoffnung für die Lösung der Probleme zu bieten, die Theoretiker seit Albert Einsteins Tag frustriert haben.,
Die unglaubliche Leichtigkeit der Schwerkraft
Seit Jahrzehnten rätseln Physiker über die Schwäche der Schwerkraft im Vergleich zu den anderen Grundkräften der Natur.
„Ein winziger Magnet kann eine Büroklammer anheben, obwohl die gesamte Masse der Erde sie in die entgegengesetzte Richtung zieht“, bemerkte Randall in ihrem Buch über die Suche nach zusätzlichen Dimensionen mit dem Titel „Warped Passages.“
Einstein versuchte, eine übergreifende Theorie zu entwickeln, die sich ebenso gut auf die Schwerkraft und die anderen Kräfte anwenden könnte, konnte es aber einfach nicht., Tatsächlich sind die Theorien, die die Schwerkraft und die Quantenmechanik regeln, völlig getrennt und in der uns bekannten vierdimensionalen Welt völlig inkompatibel.
In den letzten Jahrzehnten haben Einsteins Nachfolger ihre Suche nach einer „Theorie von allem“ auf die Stringtheorie konzentriert — die Idee, dass die grundlegenden Bestandteile der Materie winzige stringähnliche Objekte sind, die mit unterschiedlichen Frequenzen vibrieren. Stringtheoretiker könnten Gleichungen entwickeln, um die Schwerkraft sowie Quanteneffekte abzudecken, solange ihnen 10 oder 11 Dimensionen zur Arbeit gegeben wurden.,
Anstrengung zur Erklärung von branes
Die Theorien funktionieren noch besser, wenn Sie sich unser vierdimensionales Raum-Zeit-Kontinuum als eine Art Membran vorstellen können, oder „brane“, eingebettet in eine „Masse“, die noch mehr Dimensionen annimmt. Randall und Sundrum fanden heraus, dass die vergleichende Schwäche der Schwerkraft vollkommen verständlich war, wenn Partikel, die als Gravitonen bezeichnet werden, von einem Brane in eine fünfdimensionale Masse austreten könnten. In der Tat, sagten sie, könnte es gut sein, dass Gravitonen über die Masse in unseren eigenen Brane (den „Weakbrane“) von einem extradimensionalen Brane in der Nähe (dem „Gravitybrane“) austreten.,
Zugegeben, das klingt nach einer erfundenen Welt direkt aus „Alice im Wunderland“-und tatsächlich wurde Alice von Theoretikern selbst mehr als einmal angerufen. Das einzige, was die extradimensionale Physik aus dem fiktionalen Regal retten könnte, ist die Aussicht, reale Beweise zu finden, um das Braneworld-Konzept zu unterstützen.
Obwohl es keine Garantien gibt, hoffen Randall und Sundrum, dass ehrgeizige Experimente bald genau diese Art von Beweisen liefern werden., „Innerhalb der nächsten fünf Jahre könnten wir tatsächlich auf diese zusätzlichen Dimensionen stoßen“, sagte Randall letzte Woche während eines Gesprächs in Seattle.
Smashing Partikel
Das Problem bei der Erkennung der fünften Dimension (oder der sechsten, siebten, und so weiter) ist, dass unsere Körper gebaut sind, um nur die drei altmodischen räumlichen Dimensionen zu messen, plus Zeit als vierte Dimension.
Wissenschaftler haben gehofft, dass mindestens eine der zusätzlichen Dimensionen so aufgerollt werden könnte, dass ihr Einfluss durch Messen der Anziehungskraft der Schwerkraft auf einer Skala von beispielsweise einem Millimeter oder weniger gesehen werden kann., Bisher wurden offiziell keine Anomalien gemeldet, obwohl gelegentlich Fehler aufgetreten sind, die wahrscheinlich eher auf winzige experimentelle Fehler als auf die fünfte Dimension zurückzuführen sind.
Ein vielversprechenderer Weg dürfte sich im nächsten Jahr eröffnen, wenn ein 8,6 Kilometer breiter unterirdischer Teilchenbeschleuniger im europäischen CERN-Labor an der französisch-schweizerischen Grenze online geht. Der Beschleuniger, der als Large Hadron Collider bezeichnet wird, könnte in der Lage sein, Protonen zusammen mit genügend Energie zu zerschlagen, um subatomare Teilchen zu erzeugen, die einen Impuls in den zusätzlichen Dimensionen haben.,
Dieser Impuls, sagte Randall, würde als zusätzliche Masse gesehen werden. Wenn der LHC also Klassen neuer Teilchen erzeugt, die die gleichen Ladungen wie normale Teilchen tragen, aber um bestimmte Mengen schwerer zu sein scheinen, könnte dies ein Hinweis auf die fünfte Dimension sein. Wenn die Theorie richtig ist, sollten solche Anomalien „wahrscheinlich innerhalb weniger Jahre nach Läufen am CERN“ entdeckt werden, sagte Randall.
der Nachweis von Gravitationswellen
Randall sagte, einen anderen Weg zu tun haben könnte mit der Schwerkraft Wellen — ein Phänomen, das vorhergesagt von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, hat aber noch nicht nachgewiesen worden., Komponenten des $ 365 Millionen Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatoriums, oder LIGO, sind gerade auf dem Laufenden in Louisiana und Washington State.
Physiker haben gesagt, dass es eine Chance gibt, dass LIGO die allererste Erkennung von Gravitationswellen erreichen kann, und fast 200.000 Benutzer haben sich angemeldet, um LIGO-Daten über das Einstein @ Home distributed-Computing-Projekt zu verarbeiten. Aber Randall sagte MSNBC.com dass nicht einmal LIGO in der Lage wäre, die gesuchten Daten aufzunehmen.,
Randall und Sundrum spekulieren, dass der Raum, den wir bewohnen und um uns herum sehen, frühzeitig einen Übergang von einem offeneren extradimensionalen Zustand gemacht hat — vielleicht als Teil des Prozesses der kosmischen Inflation.
„Das extradimensionale Bild kann tatsächlich einen Inflationsmechanismus enthalten, der unter günstigen Umständen beobachtbare Gravitationswellen erzeugen würde, deren Details einige Merkmale ihres extradimensionalen Ursprungs preisgeben könnten“, erklärte Sundrum.,
Obwohl LIGO nicht empfindlich genug wäre, um diesen extradimensionalen Fingerabdruck aufzunehmen, sagte Randall, dass eine zukünftige US-europäische Raumsonde, die als Laser-Interferometer-Raumantenne oder LISA bekannt ist, nur eine Chance haben könnte.
Sundrum sagte jedoch, dass die theoretische Verbindung zwischen zusätzlichen Dimensionen und kosmischer Inflation „noch nicht diese robuste Note erreicht hat, auf der Sie starke Schlussfolgerungen stützen könnten.“Außerdem ist nicht klar, wann genau LISA gestartet werden könnte. Die derzeit beste Vermutung liegt irgendwann vor dem Jahr 2014.,
Fangen Gammastrahlenausbrüche
Nur in den letzten paar Wochen haben zwei andere Physiker einen anderen Weg vorgeschlagen, um die Randall-Sundrum-Theorie zu testen. Dies würde die Verwendung einer NASA-Sonde namens Gamma-Ray Large Area Space Telescope oder GLAST beinhalten, die nächstes Jahr starten soll.,Mai in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht wurde, konzentrieren sich die Charles Keeton der Rutgers University und Arlie Petters von der Duke University auf eine bestimmte Art von schwarzem Miniaturloch, das als Auswuchs des extradimensionalen Verwerfungs-Effekts vorhergesagt zu werden scheint.
„Dies ist etwas mit der Masse eines Asteroiden, aber es ist mikroskopisch groß“, sagte Petters MSNBC.com.
Wenn die Mini-Schwarzen Löcher existieren, sagen Keeton und Petters, dass GLAST einen charakteristischen Lichtbiegeeffekt registrieren sollte, wenn es Ausbrüche von Gammastrahlen aus entfernten Quellen beobachtet., Ein solches Experiment könnte beweisen, dass die Brane-Theorie der Wahrheit näher kommt als Einsteins Relativitätstheorie — und könnte auch der Idee Gewicht verleihen, dass die Mini-Schwarzen Löcher zumindest einen Teil der mysteriösen Dunklen Materie unseres Universums ausmachen.
„Wenn braneworld Schwarze Löcher sogar 1 Prozent der dunklen Materie in unserem Teil der Galaxie bilden — eine vorsichtige Annahme-sollte es mehrere tausend braneworld Schwarze Löcher in unserem Sonnensystem geben“, sagte Petters.
Randall und Sundrum sagten MSNBC.,com, dass sie anfangs skeptisch gegenüber den von Keeton und Petters vorgeschlagenen Ideen waren, aber sie überprüfen immer noch die Details. Im Moment sagte Sundrum, er sei bereit, den Forschern den Vorteil des Zweifels zu geben: „Sie geben ihnen mehr Seil, denn wenn sie Recht haben, dann ist es außerhalb der Skala fantastisch.“
Das Wichtigste ist, dass Physiker tatsächlich Ideen entwickeln, um Hypothesen zu testen, die vor nicht allzu langer Zeit nicht überprüfbar schienen, sagte Keeton MSNBC.com.
„Wir schlagen einen neuen Test des Braneworld-Modells vor, aber es ist sicherlich nicht die einzige Möglichkeit“, sagte er., „Dies passt in das breitere Bild der Community, die versucht, dies zu testen.“