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Wie viele Dimensionen hat unser Universum wirklich?

Hat unser Universum zusätzliche Dimensionen und wie beeinflussen sie unsere Realität?

Theoretische Physik ist ein faszinierendes und manchmal amüsantes Gebiet. Während die meisten Leute nicht behaupten würden, viel über dieses Forschungsgebiet zu wissen, tauchen viele seiner fortgeschritteneren Konzepte ständig in der Populärkultur auf. Tatsächlich tauchen Wörter wie"nuklear", "quantum" und "multiversum" sind oft der Schlüssel zur Handlung unserer Lieblingsfernsehsendungen und -filme.

Andererseits klingen einige der fortgeschritteneren Konzepte der theoretischen Physik wenn sie beschrieben werden eher nach Philosophie und Metaphysik als nach Wissenschaft. Tatsächlich schaffen es einige Theorien sogar, die Grenzen zwischen Wissenschaft und Religion zu verwischen und werden im Allgemeinen von beiden erfülltEhrfurcht oder Entlassung je nachdem, wer zuhört.

Betrachten Sie die Idee von "zusätzliche Abmessungen", was viele Leute annehmen würden, bezieht sich auf die Existenz von Dimensionen parallel zu unseren, in denen die Dinge leicht oder sehr unterschiedlich sind – auch bekannt als."Multiversum" Theorie. In Wahrheit befasst sich die Theorie der zusätzlichen Dimensionen mit der möglichen Existenz zusätzlicher Dimensionen, die über die uns unmittelbar bewussten hinausgehen.

Obwohl diese Art von Gerede wie etwas weit hergeholt oder rein spekulativ klingen mag, ist es tatsächlich ein wesentlicher Bestandteil unseres Verständnisses davon, wie unser Universum funktioniert. Wenn und wann wir bestimmen, wie viele Dimensionen unser Universum hat und was jede von ihnen tut, wir werden endlich eine Theory of Everything ToE haben und wissen, wie alles zusammenpasst.

Maße 101

Um es aufzuschlüsseln, bezieht sich der Begriff "Dimension" auf jede mathematische Messung. Dies kann sich im Allgemeinen auf eine physikalische Messung ein Objekt oder einen Raum oder eine zeitliche Messung Zeit beziehen. Es gibt drei Dimensionen, die wir täglich erleben, dieDefinieren Sie die Länge, Breite und Tiefe aller Objekte in unserem Universum die x-, y- bzw. z-Achse.

Wissenschaftler behaupten jedoch, dass man, um die Naturgesetze zu verstehen, ein " einschließen muss.vierte Dimension", das ist Zeit. Ohne diese Koordinate können die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von Objekten in unserem Universum nicht richtig gemessen werden. Es reicht nicht aus, zu wissen, wo sich ein Objekt in Bezug auf drei Raumkoordinaten befindet. Sie müssen auch wissenwann das Objekt war wo.

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Über diese vier Dimensionen hinaus haben theoretische Physiker gewagt, dass noch mehr im Spiel sein könnten. Die Anzahl der Dimensionen variiert, aber der Zweck der zusätzlichen Dimensionen besteht darin, Wege zu finden, die bekannten Gesetze des Universums zu vereinen, die theoretische Physiker versucht habenfür etwa ein Jahrhundert tun.

Der Grund hat mit zwei sehr interessanten Studienrichtungen zu tun: Quantenmechanik QM und Allgemeine Relativitätstheorie GR. Diese Felder entstanden im frühen 20. Jahrhundert und waren fast parallel zueinander. Während QM viele Vorfahren hat Planck, Heisenberg, Schrödinger, et al., verdankt GR seine Existenz zumindest anfänglich Albert Einstein — obwohl viele seiner Ideen Verfeinerungen früherer Theorien waren.

Um es festzuhalten, Einstein hat auch durch seine Forschungen über das QM zur Entwicklung von QM beigetragen Lichtverhalten. Während Quantenmechanik QM beschreibt, wie sich Energie und Materie auf atomarer und subatomarer Ebene verhalten, beschreibt die Allgemeine Relativitätstheorie GR wie sich Materie, Energie und Raumzeit auf größere Skalen in Gegenwart der Schwerkraft.

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Das Lustige ist, dass unsere größten wissenschaftlichen Köpfe seit fast einem Jahrhundert versuchen herauszufinden, wie diese beiden Bereiche zusammenpassen. Beide scheinen für sich alleine gut zu funktionieren, aber wo sie zu einem einzigen kohärenten System zusammenkommen, dasbleibt weitgehend ein Rätsel.

Vier Grundkräfte

Nach Tausenden von Jahren der Erforschung der Natur und der sie beherrschenden Gesetze haben Wissenschaftler festgestellt, dass vier fundamentale Kräfte alle Wechselwirkungen zwischen Materie und Energie bestimmen. Diese Kräfte und die fundamentalen Teilchen, aus denen alle Materie besteht Quarks, Leptonen, Eichbosonen, und skalare Bosonen, sind Teil von Das Standardmodell der Teilchenphysik. Diese Kräfte sind:

  • Elektromagnetismus
  • schwache Kernkraft
  • Starke Kernkraft
  • Gravitation

Die ersten drei Kräfte werden alle durch das Gebiet der Quantenmechanik beschrieben und sind mit bestimmten subatomaren Teilchen verbunden. Elektromagnetismus ist mit Elektronen einem Lepton verbunden, die für Elektrizität, Magnetismus und alle Formen elektromagnetischer Strahlung verantwortlich sind. Das schließt einsichtbares Licht Farbe, Wärme, Mikrowellen, Radiowellen, ultraviolette Strahlung und Gammastrahlen.

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Quelle: NASA

Die schwache Kernkraft befasst sich mit Wechselwirkungen zwischen subatomaren Teilchen, die für die verantwortlich sind. radioaktiver Zerfall von Atomen und ist mit Teilchen verbunden, die kleiner als ein Proton Bosonen sind. Bei höheren Energien verschmilzt diese Kraft mit dem Elektromagnetismus, was zu dem einheitlichen Begriff "elektroschwache Kraft" geführt hat.

Die starke Kernkraft regiert Teilchen mit der Größe von Protonen und Neutronen Hadronen und wird so genannt, weil sie ungefähr 137-mal so stark ist wie der Elektromagnetismus, millionenfach stärker als die schwache Kernkraft und 1038 mal so stark wie die Gravitation. Sie bewirkt, dass sich Quarks zu größeren Protonen und Neutronen zusammenschließen und sie zu Atomkernen binden.

Schließlich gibt es die Gravitation, die die schwächste der vier Kräfte ist und sich mit Wechselwirkungen zwischen massiven Objekten Asteroiden, Planeten, Sternen, Galaxien und der großräumigen Struktur des Universums befasst. Im Gegensatz zu den anderen drei Kräften gibt esist kein bekanntes subatomares Teilchen, das Gravitation oder Gravitationswechselwirkungen beschreibt.

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Aus diesem Grund sind Wissenschaftler gezwungen, Physik in Bezug auf QM oder GR je nach den beteiligten Skalen zu studieren, aber im Allgemeinen nicht beides kombiniert. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler versucht, einen theoretischen Rahmen zu entwickeln, um die Schwerkraft mit zu vereinendie anderen Kräfte. Versuche, dies zu tun, fallen im Allgemeinen unter die Überschrift "Quantengravitation" oder eine Theory of Everything ToE.

Wie viele Dimensionen gibt es?

Versuche, eine einheitliche Feldtheorie der Gravitation und des Elektromagnetismus zu erstellen, gehen auf den deutschen Physiker Theodor Kaluza 1885–1954 zurück. 1921 veröffentlichte er eine Veröffentlichung, in der er eine erweiterte Interpretation von Einsteins Feldgleichungen vorstellte. Diese Theorie baute aufdie Idee eines 5D-Universums, das eine Dimension jenseits der üblichen 4D von Raum und Zeit beinhaltet.

1926 bot der schwedische theoretische Physiker Oskar Klein eine Quanteninterpretation von Kaluzas 5D-Theorie an. In Kleins Erweiterung war die fünfte Dimension zusammengerollt, mikroskopisch und konnte die Form eines Kreises mit einer 10 annehmen.-30 cm Radius. In den 1930er Jahren, wOrk wurde von Einstein und seinen Kollegen in Princeton zur Kaluza-Feldtheorie durchgeführt.In den 1940er Jahren wurde die Theorie offiziell abgeschlossen und erhielt den Namen Kaluza-Klein-Theorie.

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Die Arbeit von Kaluza und Klein sagte das Aufkommen der String Theory ST voraus, die erstmals in den 1960er Jahren vorgeschlagen wurde. In den 1990er Jahren entstanden mehrere Interpretationen, darunter Superstring-Theorie, Schleifen-Quantengravitation, M-Theorie und Supergravitation. Jede dieser Theorien beinhaltet die Existenz von "zusätzlichen Dimensionen", "Hyperraum" oder ähnlichem.

Zusammenfassend stellt ST fest, dass die punktförmigen Teilchen der Teilchenphysik eigentlich eindimensionale Objekte sind, die "Strings" genannt werdendurch den Schwingungszustand der Saite bestimmt. In einem Zustand entspricht die Saite dem Graviton, das die Gravitation verursacht.

Quelle: NASA

Superstring-Theorie, eine Variation von ST, erfordert die Existenz von 10 Raumzeitdimensionen. Dazu gehören die vier uns sofort erkennbaren Dimensionen Länge, Breite, Tiefe, Zeit und sechs weitere, die es nicht sind.

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Diese zusätzlichen sechs Dimensionen sind auf einem kompakten Raum zusammengerollt. Auf Bestellung die Saitenskala 10-33 cm könnten wir das Vorhandensein dieser zusätzlichen Dimensionen nicht direkt erkennen, weil sie einfach zu klein sind.

Der Theorie zufolge handelt es sich bei der fünften und sechsten Dimension um mögliche Welten, die mit den gleichen Anfangsbedingungen begannen.

Derfünfte Dimensionumfasst Welten mit etwas anderen Ergebnissen als bei uns, während die sechster ist dort, wo eine Ebene möglicher Welten sichtbar wäre. Die siebte Dimensionhier könnte man mögliche Welten sehen, die mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen begannen und sich dann unendlich weit verzweigten – daher wird der Begriff "Unendlichkeit" verwendet, um sie zu beschreiben.

Derachte Dimension würde uns in ähnlicher Weise eine Ebene dieser "Unendlichkeiten" geben, während in der neunte Dimension, alle möglichen Universen und Gesetze der Physik waren zu sehen. In der zehnte Dimension, alles, was in Bezug auf die kosmische Evolution möglich ist, ist zugänglich. Darüber hinaus können Lebewesen, die Teil des Raumzeit-Kontinuums sind, nichts sehen.

M-Theorie, das fünf verschiedene Superstring-Theorien kombiniert, postuliert die Existenz von 11 Abmessungen— zehn räumlich und einmal. Diese Variation der Superstringtheorie wird wegen der von ihr vorhergesagten Phänomene als attraktiv angesehen. Zum einen sagt die M-Theorie die Existenz des Gravitons voraus, was mit der Stringtheorie als Ganzes konsistent ist und eine Erklärung bietetfür die Quantengravitation.

Es sagt auch ein Phänomen voraus, das der Verdampfung von Schwarzen Löchern ähnelt, bei der Schwarze Löcher emittieren" Hawking-Strahlung" und verlieren mit der Zeit an Masse. Einige Variationen der Superstringtheorie sagen auch die Existenz von Einstein-Rosen-Brücken — aka. "Wurmlöcher." Ein anderer Ansatz, Schleifenquantengravitation LQG, postuliert, dass sich die Gravitation völlig von den anderen fundamentalen Kräften unterscheidet und dass die Raumzeit selbst aus quantisierten, diskreten Bits in Form winziger, eindimensionaler Schleifen besteht.

Einige Versionen von Supergravitationstheorie fördern auch ein 11-D-Modell der Raumzeit mit 4 gemeinsamen Dimensionen und 7 Hyperraum-Dimensionen. Es gibt auch die "Brane-Theorie", die postuliert, dass das Universum aus mehrdimensionalen schwingenden "Membranen" besteht, die Masse und eine Ladung haben und könnendurch die Raumzeit ausbreiten.

Bis heute gibt es keine experimentellen Beweise für die Existenz von „Extra-Dimensionen“, „Hyperraum“ oder irgendetwas jenseits der vier Dimensionen, die wir wahrnehmen können.

Warum können wir sie nicht sehen?

Leider bleibt die Frage. Wenn zusätzliche Dimensionen erforderlich sind, damit die Gesetze der Physik Sinn machen, warum können wir ihre Existenz nicht bestätigen? Es gibt zwei Möglichkeiten: Erstens, was wir über Physik zu wissen glauben, ist falsch, oder zwei, die Dimensionen der Raumzeit jenseits der 4D, die wir erleben, sind so subtil oder winzig, dass sie für unsere aktuellen Experimente unsichtbar sind.

Auf den ersten Blick erscheint die erste Möglichkeit höchst unwahrscheinlich. Immerhin laufende Teilchenexperimente – wie sie mit dem Großer Hadronenbeschleuniger LHC – haben bestätigt, dass das Standardmodell der Teilchenphysik korrekt ist. Ebenso wurde die Allgemeine Relativitätstheorie viele Male bestätigt, seit Einstein sie 1915 offiziell vorgeschlagen hat.

Quelle: Wikimedia Commons/Jbourjai

Damit bleibt uns die zweite Möglichkeit: dass zusätzliche Dimensionen mit aktuellen Methoden und Experimenten nicht gemessen oder charakterisiert werden können. Eine gut untersuchte Möglichkeit ist, dass Dimensionen auf winzigen Skalen "zusammengerollt" werden, was bedeutet, dass ihre Eigenschaften und ihr Einfluss auf die Raumzeitnur auf subatomarer Ebene gemessen werden.

Eine andere Möglichkeit ist die "Kompaktifizierung", bei der bestimmte Dimensionen endlicher oder zeitlicher Natur sind. Kurz gesagt, diese Theorie geht davon aus, dass zusammengerollte Dimensionen sehr klein werden oder sich zu Kreisen zusammenschließen. Wenn dies wahr ist, dann sind die sechszusätzliche Abmessungen würden wahrscheinlich die Form eines annehmenCalabi-Yau-Mannigfaltigkeit das sind Formendie die Anforderung erfüllen, die für die sechs "ungesehenen" räumlichen Dimensionen der Stringtheorie erforderlich ist.

Für Astrophysiker und theoretische Physiker erklären die Kompaktifizierung und die Idee, dass zusätzliche Dimensionen winzig sind, warum das Universum existiert noch Milliarden von Jahren nach seiner Entstehung. Wenn diese Dimensionen größer wären, würden sie genug Materie aufnehmen, um Gravitationskollaps und die Bildung von Schwarzen Löchern auszulösen die den Rest des Universums verschlingen würden.

Die Tatsache, dass der Kosmos nach 13,8 Milliarden Jahren immer noch existiert und keine Anzeichen von Zerrissenheit zeigt, legt nahe, dass diese Theorie stichhaltig ist. Alternativ können die Gesetze der Physik in diesen zusätzlichen Dimensionen anders funktionieren. So oder so, es gibt immer nochdie unbeantwortete Frage, wie wir sie beobachten und studieren könnten.

Wie finden wir sie?

Wenn das Universum also wirklich zusätzliche Dimensionen hat, die für uns nicht wahrnehmbar sind, wie sollen wir dann Beweise für ihre Existenz finden und ihre Eigenschaften bestimmen? Eine Möglichkeit besteht darin, sie durch Teilchenphysik-Experimente zu suchen, wie sie von der durchgeführt werden.Europäische Organisation für Kernforschung CERN – die Betreiber des LHC – und anderer Teilchenbeschleunigerlabore.

Am CERN steigern Wissenschaftler Teilchen auf hohe Energien, bevor sie sie zusammenschlagen und die resultierende Kaskade von subatomaren Teilchen messen. Detektoren sammeln Hinweise über die Teilchen, wie Geschwindigkeit, Masse und Ladung, die verwendet werden können, um ihre Identität zu ermitteln.

Theorien mit zusätzlichen Dimensionen sagen voraus, dass es schwerere Versionen von Standardteilchen geben muss, die bei immer höheren Energien wiederkehren, wenn sie durch kleinere Dimensionen navigieren. Diese hätten genau die gleichen Eigenschaften wie Standardteilchen und wären daher für Detektoren wie die am CERN sichtbaraber bei einer größeren Masse. Wenn Beweise dafür gefunden werden könnten, könnte dies auf das Vorhandensein zusätzlicher Dimensionen hindeuten.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch die Zeit auf die als " bekannte Periode zurückzublicken.Kosmische Morgendämmerung", etwa 100 bis 500 Millionen Jahre nach dem Urknall, als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten. Auch wenn heute zusätzliche Dimensionen nicht wahrnehmbar sind, hätten sie die Entwicklung des Universums von Anfang an.

Bisher konnten Astronomen nicht so weit in die Vergangenheit sehen, da kein Teleskop empfindlich genug war. Dies wird sich in naher Zukunft dank der nächsten Generation von Instrumenten wie dem ändern.James Webb Weltraumteleskop JWST, die Nancy Grace Römisches Weltraumteleskop RST, die Extrem großes Teleskop ELT und die Riesen-Magellan-Teleskop GMT.

Quelle: Suvendu Giri

Dies stimmt gut mit bestehenden übereinDunkle Materie und Dunkle EnergieUmfragen, die die frühe Comic-Geschichte beobachten, in der Hoffnung, ihren Einfluss auf die kosmische Evolution zu messen. Da einige Theoretiker wagen, dass die Existenz zusätzlicher Dimensionen zur Erklärung des "dunklen Universums" beitragen könnte, könnten diese Beobachtungen mehrere Mysterien gleichzeitig lösen.

Dieser duale Ansatz ist unserem derzeitigen Verständnis des Universums nicht unähnlich, das Wissenschaftler nur auf eine von zwei Arten verstehen können – die größte GR und die kleinste Skala QM. Durch die Beobachtung des Universums mit einer sehr weiten und sehr engen-Winkellinse, können wir möglicherweise alle Kräfte berücksichtigen, die sie beherrschen.

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Ähnlich wie bei anderen ToE-Kandidaten ist der Glaube, dass das Universum aus zehn oder mehr Dimensionen besteht, ein Versuch, alle physikalischen Gesetze, die wir verstehen, zu nehmen und herauszufinden, wie sie zusammenpassen. In dieser Hinsicht ist es wie das Zusammensetzen eines Puzzles,wo jedes Stück für uns Sinn macht, uns aber nicht bewusst ist, wie das Gesamtbild aussieht.

Es reicht nicht aus, Teile zusammenzusetzen, wo immer sie zusammenpassen. Wir müssen auch eine allgemeine Vorstellung davon haben, was das Gerüst ist, ein mentales Bild davon, wie es aussehen wird, wenn es fertig ist. Dies hilft uns, unsere Bemühungen so zu leitenwir können voraussehen, wie sich alles zusammenfügen wird.

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