Möglicherweise sind zusätzliche Dimensionen erforderlich, um zu erklären, wie die Schwerkraft im frühen Universum funktionierte – und zu den Bedingungen führte, die wir heute erleben. Zu diesem Schluss kommen zwei Forscher aus Japan, die versuchen, oberflächlich widersprüchliche Theorien aus unterschiedlichen Bereichen der Physik unter einen Hut zu bringen. Dazu gehört Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die sich damit befasst, wie Objekte mit Masse das Gefüge von Raum und Zeit verzerren – ein Effekt, den wir als Schwerkraft erleben.
Während die allgemeine Relativitätstheorie in den meisten Fällen erfolgreich erklärt, wie die Schwerkraft funktioniert, beginnt die Theorie unter bestimmten extremen Bedingungen zusammenzubrechen.
(Dazu gehören die Singularitäten im Herzen von Schwarzen Löchern und die ursprüngliche „kosmische Suppe“, aus der sich ursprünglich alle sichtbare Materie und Energie im Universum gebildet hat.)
Viele dieser Probleme könnten möglicherweise durch die „Superstring-Theorie“ gelöst werden, mit der einige Physiker hofften, sowohl alle Teilchen als auch die fundamentalen Kräfte der Natur als Schwingungen winziger, eindimensionaler Objekte, die „Strings“ genannt werden, zu erklären.
Auf diese Weise könnte die Superstringtheorie einen Weg bieten, die allgemeine Relativitätstheorie – in der Ereignisse kontinuierlich und deterministisch sind – mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen, in der Ereignisse über Quantensprünge auftreten und Ergebnisse wahrscheinlich sind.
Das Problem ist jedoch, dass sich die zur Untermauerung dieses Vorschlags erforderlichen Beweise bisher als schwer fassbar erwiesen haben.
Eine neue Studie unter der Leitung von Professor Yasuaki Hikida vom Yukawa Institute for Theoretical Physics an der Universität Kyoto könnte jedoch dazu beitragen, den Weg zu einer Validierung der Superstring-Theorie zu ebnen.
In ihrer Studie haben die Forscher ein Konzept untersucht, das als „de Sitter-Raum“ bekannt ist – nach dem niederländischen Astronomen Willem de Sitter, der in den 1920er Jahren ein Kollege von Einstein war.
Die theoretischen Modelle von Professor de Sitter beschreiben die einfachste kosmologische Lösung für Einsteins Feldgleichungen, die die Geometrie der Raumzeit mit der darin enthaltenen Materie in Beziehung setzen.
Im de Sitter-Raum ist das dreidimensionale räumliche Universum flach (obwohl es in der vierdimensionalen Raumzeit gekrümmt ist) und gewöhnliche Materie wird vernachlässigt.
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Dementsprechend wird die Dynamik des de Sitter-Universums von der sogenannten kosmologischen Konstante dominiert, dem Teil der Feldgleichungen, der für die Expansion des Universums verantwortlich ist.
Was Prof. Hikida und sein Kollege Heng-Yu Chen getan haben, ist eine konkrete Methode zur Berechnung sogenannter „Korrelationsfunktionen“, die die Verteilung von Materie und Galaxien im Kosmos beschreiben, für die Schwankungen des frühen Universums zu entwickeln.
Sie taten dies mithilfe der Holografie – in der höhere Dimensionen als Projektion auf das dreidimensionale, räumliche Universum existieren, ähnlich wie die Sicherheitshologramme auf Kredit- und Debitkarten dreidimensionale Bilder auf einer zweidimensionalen Oberfläche zu zeigen scheinen.
(Höhere Dimensionen sind übrigens ein gemeinsames Merkmal von Superstring-Theorien – die verlangen, dass das Universum zusätzlich zu den bekannteren drei räumlichen Dimensionen und der vierten Dimension der Zeit mindestens sechs zusätzliche, „hyperräumliche“ Dimensionen hat.)
Die Forscher begannen mit bestehenden Methoden zum Umgang mit der Schwerkraft im sogenannten „Anti-de-Sitter-Raum“ – in dem die Raumzeit in die entgegengesetzte Richtung zum „normalen“ de Sitter-Raum gekrümmt ist – und formten sie so um, dass sie im letzteren Modell funktionieren .
Prof. Hikida sagte: „Wir haben festgestellt, dass unsere Methode im Umgang mit der Quantengravitation allgemeiner angewendet werden kann, als wir erwartet hatten.“
Nachdem ihre erste Studie abgeschlossen ist, fügte er hinzu, erweitert das Team „unsere Analyse nun, um kosmologische Entropie- und Quantengravitationseffekte zu untersuchen“.
Während die vorliegende Studie nur ein dreidimensionales Universum als Testfall betrachtete, könne die Analyse „leicht“ auf einen vierdimensionalen Kosmos ausgedehnt werden, so die Forscher.
Dies kann es dem Team ermöglichen, Informationen über die reale Welt zu extrahieren.
Prof. Hikida schloss: „Unser Ansatz trägt möglicherweise zur Validierung der Superstring-Theorie bei und ermöglicht praktische Berechnungen über die subtilen Veränderungen, die sich über das Gewebe unseres frühen Universums ausbreiteten.“
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.