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Dieser Text ist eine Besprechung eines Kapitels aus dem Buch “The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos” von Brian Greene. Links zu den Besprechungen der anderen Kapitel finden sich hier


Im nächsten Kapitel findet sich für die Leser von Greenes früheren Büchern schon Bekanntes: es geht um die Vereinheitlichung der Grundkräfte, die Suche nach der Quantengravitation und die Entwicklung der Stringtheorie. Wer die früheren Bücher kennt, der kann dieses Kapitel überspringen. Ich werde es auch tun denn die Stringtheorie hab ich ja schon im Rahmen der Rezension von Greenes letzem Buch vorgestellt.

Aber eigentlich lohnt es sich trotzdem, das Kapitel zu lesen. Greene spricht hier viele interessante Aspekte an die zumindest für mich neu waren. Zum Beispiel die Tatsache, dass die Stringtheorie eine echte Erweiterung der bisherigen Physik ist. Bei Einstein war es ja genauso. Seine allgemeine Relativitätstheorie hat Newtons Physik nicht widerlegt sondern sie nur erweitert. Nimmt man Einsteins Gleichungen und wendet sie auf Situationen an, in denen die Massen und Geschwindigkeiten nicht allzu groß sind, dann vereinfachen sie sich direkt zu den alten Newtonschen Gleichungen. Genauso ist es mit der Stringtheorie. Benutzt man sie für Situationen in der Gravitaton eine Rolle spielt, die Quanteneffekte aber nicht, dann bekommt man wieder Einsteins Relativitätstheorie. Will man Situationen untersuchen, in denen die Quanteneffekte wichtig sind, aber nicht die Gravitation, dann vereinfacht sich die Stringtheorie zur Quantenfeldtheorie.

Greene geht auch wieder explizit auf die Experimente ein. Man hört ja immer wieder, die Stringtheorie sei ja nichts anderes als Religion weil man sie nicht experimentell bestätigen oder widerlegen könne. Das ist natürlich Unsinn. An Religion muss man tatsächlich glauben. An die Stringtheorie nicht; es gibt tatsächlich jede Menge Experimente, die sie bestätigen oder falsifizieren können. Die meisten dieser Experimente sind momentan nur leider technisch nicht machbar – eben weil die Strings so unvorstellbar klein sind. Aber manche Sachen sind in Reichweite. Die gewaltigen Energien des Urknalls könnten manche Strings so stark vergrößert haben, dass sie heute detektiert werden könnten. Die Gravitationswellen die sie aussenden sind ganz charakteristisch und die Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation könnten das in ein paar Jahren messen. Auch Messungen der Hintergrundstrahlung die der Planck-Satellit gerade durchführt könnten Vorhersagen der Stringtheorie bestätigen und die Experimente die am Teilchenbeschleuniger LHC gerade durchgeführt werden könnten die Existenz der von der Stringtheorie vorhergesagten Extradimensionen bestätigen.

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Experimente zur Stringtheorie sind etwas komplizierter als dieses hier…

Für die Geschichte der Paralleluniversen besonders interessant ist die aktuelle Weiterentwicklung der Stringtheorie: die M-Theorie (ich habe hier schonmal mehr darüber geschrieben). Die Gleichungen der Stringtheorie sind so komplex, dass sie in ihrer vollständigen Form momentan nicht benutzt werden können. Man verwendet stattdessen Vereinfachungen die mit Störungsrechnung gewonnen werden. Ed Witten konnte nun Mitte der 1990er zeigen, dass man durch diese Vereinfachungen einiges übersehen hat. Bis dahin kannte man fünf verschiedene Versionen der Stringtheorie. Die sind aber in Wahrheit alle nur verschiedene Ausprägungen einer einzigen Theorie, die “M-Theorie” genannt wird. Die vereinfachten Gleichungen hatten außerdem noch eine weitere Extradimension versteckt! Bis dahin war man ja der Meinung, es müsse 10 Dimensionen geben denn nur so könne die Stringtheorie funktionieren. Davon bemerken wir nur die bekannten 3 Dimensionen des Raums und die eine der Zeit. Die übrigen sechs Raumdimensionen sind so winzig das wir sie bis jetzt nie bemerkt haben. In den Gleichungen der M-Theorie taucht nun aber noch eine weitere Dimension auf. Und auch die Dimensionalität der Grundbestandteile unserer Welt ist nicht mehr nur auf eine Dimension festgelegt.

Viele Stringtheoretiker fragten sich ja manchmal, warum denn eigentlich die Strings so etwas besonders waren. Ok, sie konnten die bekannten Elementarteilchen erklären. Die waren keinen punktförmigen Etwase mehr sondern nur verschiedene Schwingungen des selben fundamentalen eindimensionalen Strings. Aber wieso sollten die Strings gerade nur eine Dimension haben? Wenn die ganze Raumzeit elf Dimensionen haben kann: wieso diese Beschränkung auf eine Dimension? Die M-Theorie zeigt nun, dass diese Beschränkung nicht existiert. Neben eindimensionalen Strings gibt es dort auch zweidimensionalen Membranen, dreidimensionale 3-Branen usw. Und diese Branen sind es, die eine weitere Möglichkeit für parallele Welten bieten!

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Gravitation! Zieht nicht nur Äpfel an, sondern auch Universen (Bild: Abhijit Tembhekar from Mumbai, India, CC-BY 2.0)

Ich habe oben schon die kosmischen Strings erwähnt, die beim Urknall aufgeblasen wurden. Normalerweise sind Strings ja wirklich winzig. Aber man braucht nur genug Energie reinstecken, dann können beliebig groß werden. Das gleiche gilt auch für Branen. Wenn wir uns jetzt eine dreidimensionale Bran vorstellen, die enorm groß ist, was haben wir dann? Etwas, dass ganz so wie das dreidimensionale Universum aussieht, das wir bewohnen. Der Raum an sich wäre dann kein Konzept mehr, über das sich Philosophen und Physiker den Kopf zerbrechen. Er wäre ein konkretes Ding: eine 3-Bran im zehndimensionalen Raum der M-Theorie. Die Vorstellung das wir auf einer 3-Bran leben nennt man auch das “Branwelt-Szenario”. Jetzt gibt es natürlich nicht nur eine einzige 3-Bran. Der höherdimensionale Raum könnte voller 3-Branen (bzw. höherdimensionaler Branen) sein. Aber wir würden nie etwas davon mitbekommen. Denn die Strings, aus denen wir alle bestehen sind sogenannten “offene Strings”. Das heisst sie haben zwei Enden und kleben damit an der Bran fest. In der Bran können sie sich beliebig bewegen aber sie können sie niemals verlassen. Und damit sind auch wir auf ewig in der 3-Bran die unser Universum darstellt gefangen. Genauso wie z.B. die elektromagnetische Kraft. Auch sie ist nicht fähig die Bran zu verlassen. Die nächste Parallebranwelt könnte als direkt vor unseren Augen sein – wir könnten sie nicht sehen (übrigens auch nicht die Kollegen Esoteriker – die bestehen aus der gleichen Materie wie der Rest der Welt und sind genauso an unsere Bran gebunden). Die einzige Kraft, die die Bran verlassen kann ist die Gravitation. Die Teilchen die die Gravitationskraft vermitteln bestehen aus geschlossenen Strings und die können sich beliebig bewegen. Wir könnten das Branweltszenario deswegen auch sogar experimentell bestätigen (vielleicht haben wir das sogar schon). Denn diese besondere Eigenschaft der Gravitation führt dazu, dass sie sich auf sehr kleinen Skalen nicht mehr so verhält wie wir es gewohnt sind. Neue Messungen der Anziehungskraft bei sehr kleinen Bereichen könnten das messen.

Besonders interessant ist es, sich zu überlegen was passiert, wenn zwei solcher Branen kollidiern. Da die Gravitation ja zwischen den Branen wirken kann, können sie sich auch gegenseitig anziehen. Wenn zwei Branen nun zusammenstoßen, dann würde alles was sich in ihnen befindet zerstört. Es würden gewaltige Energien freigesetzt, es entstünden jede Menge neue Teilchen und Strahlung. Es würde ganz genauso aussehen wie beim Urknall… Wenn unser Universum wirklich eine Branwelt ist, dann könnte es in regelmäßigen Abständen immer wieder mit einer anderen Bran kollidieren – man nennt das “Ekpyrosis”. Nach jeder Kollision prallen die beiden wieder voneinander ab, nur um sich dann wieder zu nähern und erneut zu kollidieren. Es würde Urknall auf Urknall folgen und jedes Mal ein neues Universum entstehen. Wir wären also Teil eines zyklischen Multiversums, eingebettet in einen höherdimensionalen Raum voller anderer – vielleicht ebenso zyklischer – Universen…

Kommentare (12)

  1. #1 udo
    24. Juli 2011

    Ich bin mir nicht sicher, ob ich die Geschichte mit der Gravitation die unsere 3-Bran verlassen kann, richtig verstanden habe: Im nichtrelativistischen, nicht-quantenmechanischen Grenzfall (etwa c -> unendlich, \hbar -> 0) müsste man dann doch für das Newton’sche Gravitationspotential eine Poisson-Gleichung ähnlich der klassischen
    \Delta \phi = 4 \pi G \rho
    bekommen. Nur mit anderen Konstanten und eben in mehr als drei Dimensionen. (Falls die Extradimensionen raumartig sind. Aber zeitartige sind vermutlich für die Kausalität problematisch.)
    Wenn die Extradimensionen groß sind bekommt man doch dann aber keine 1/r-Abhängigkeit im Potential bzw. keine 1/r^2-Abhängigkeit in der Kraft. D.h. die anderen Dimensionen können größenordnungsmäßig höchstens so groß sein, wie das bekannte Abstandsverhalten experimentell bestätigt ist. Und das dürfte doch etwa im Zentimeterbereich (oder kleiner?) sein.
    D.h. eine anderes “Universum”, eine andere 3-Bran, wäre uns wirklich sehr nahe. Besonders im Vergleich zur Größe unserer 3-Bran von mindestens mehreren Milliarden Lichtjahren.
    Irgendwie erscheint mir dieser deutliche Größenunterschied erklärungsbedürftig.

  2. #2 Blah
    24. Juli 2011

    Hi Florian,

    Die meisten dieser Experimente sind momentan nur leider technisch nicht machbar

    damit implizierst du, dass es Experimente gibt, die technisch machbar sind und die etwas über den Status der Stringtheorie aussagen können. Welche wären das?

    Die Gleichungen der Stringtheorie sind so komplex, dass sie in ihrer vollständigen Form momentan nicht benutzt werden können.

    Warum benutzt? Die “Gleichungen der Stringtheorie” sind ja noch nicht einmal präzise formuliert worden, das ganze Gebiet geht in Approximationsschemata unter. Ich warte schon lange auf eine definitive Formulierung “der Stringtheorie”.

  3. #3 Rolf
    24. Juli 2011

    Hm, korrigiert mich, wenn ich falsch liege, aber theoretisch müsste es doch möglich sein, in parallele Universen zu reisen. Ich muss meinen Passagier nur in eine Gravitationsblase hüllen, so dass er keinen Kontakt mehr zur 3-Bran unseres Universums hat. Mit dieser Blase “fliegt” er dann in das Zieluniversum, öffnet sie dort wieder, bekommt Kontakt zur dortigen 3-Bran — tadaa.
    Die Blase müsste natürlich auch die notwendigen Apparaturen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung derselben beinhalten — und da dürfte es dann schwierig werden. Vor allem die benötigen Energiemengen und deren Speicherung stellen vermutlich ein Problem dar, oder?

  4. #4 Florian Freistetter
    24. Juli 2011

    @Blah: “damit implizierst du, dass es Experimente gibt, die technisch machbar sind und die etwas über den Status der Stringtheorie aussagen können. Welche wären das? “

    man muss nur einen Teilchenbeschleuniger bauen, der groß genug wäre – so einmal quer durch den Asteroidengürtel (vielleicht könnte man die Magneten auf den Asteroiden montieren und um die Kühlung braucht man sich auch keine Gedanken machen) – und dann könnte man direkt nachsehen, ob die Elementarteilchen stringförmig sind oder nicht.

    Oder man baut ausreichend gute Gravitationswellendetektoren, mit denen lässt sich auvh viel anfangen…

    “Warum benutzt? Die “Gleichungen der Stringtheorie” sind ja noch nicht einmal präzise formuliert worden, “

    Ja, genau das hab ich mit meinem Satz auch gesagt

  5. #5 Blah
    24. Juli 2011

    Ja, genau das hab ich mit meinem Satz auch gesagt

    Finde ich nicht: es macht einen gewaltigen Unterschied, ob eine Theorie ausformuliert ist (und ggf. zu kompliziert für gegenwärtige Berechnungsversuche ist) oder ob nur ein Sammelsurium von Perturbationsnäherungen da ist, die sich angeblich zu einem harmonischen Ganzen zusammenfügen lassen.

    Wenn mir nur mal jemand ein klares Bild davon geben könnte, wie die Stringtheorie überhaupt aussehen soll. Alle reden davon, aber niemand gibt eine konkrete Beschreibung.

    Bei der ART ist alles klar: Die Gleichungen von Einstein auf Lorentz-Mannigfaltigkeiten

    Beim Standardmodell auch: Die Lagrangedichte für die zig Felder, zusammen mit einer trickreichen Quantisierung und Näherungsrechnung

    Die Quantenmechanik als Framework: Spektraltheorie auf Hilberträumen

    aber wie sieht ein halbwegs brauchbarer Zugang zur Stringtheorie aus?

    Im übrigen könnte ich auf Experimente verzichten, wenn endlich jemand die ART und das SM aus der Stringtheorie als Niedrig-Energie-Approximationen herausquetschen könnte. Dann würde es sich wirklich um eine vereinheitlichte Theorie handeln, die diesen Namen auch verdient.

  6. #6 Schmidt
    25. Juli 2011

    Ganz ehrlich: Kann das überhaupt noch jemand bzw. könnt ihr das mit den Branen und der Mehrdimensionalität und den geschlossenen Strings überhaupt noch verstehen oder nachvollziehen oder wirklich begreifen?

  7. #7 Skrazor
    26. Juli 2011

    In mir wächst grad die Angst vor den tausenden Leuten, die sich auf einmal für höhere Wesen halten, wenn das Branweltszenario sich als Tatsache erweisen sollte :-S

    Es gibt doch jetzt schon genug Menschen, die an solchen Schwachsinn glauben… Aber brauchen die Esos wirklich noch einen “wissenschaftlichen Beweis” (und als einen solchen werden sie das sicher auslegen) für die Richtigkeit ihrer Behauptungen? Ich will mir gar nicht vorstellen was dann los is… und was die Kronen Zeitung daraus macht xD

  8. #8 Skrazor
    26. Juli 2011

    @Schmidt: Ich glaube, wer das wirklich begreift, hat entweder überhaupt nichts kapiert, oder einen IQ von über 200 xD

  9. #9 jEN
    4. August 2011

    Das Branwelt-Szenario liefert auch sehr schön neues Futter für die Apokalyptiker, denn theoretisch kann ja jede Sekunde ein neuer Zusammenstoß erfolgen und unser Universum zerstören…

    Langfristig gesehen fände ich das jedoch eine tröstliche Aussicht, da unser Universum dann nicht einfach immer kälter und leerer würde, sondern die Chance auf “Wiederbelebung” durch einen neuen Urknall bestünde.

  10. #10 ifoo
    23. April 2012

    Nachdem sich die Gravitation ja zwischen den Branen bewegen kann, heißt dass nicht auch dass wir durch, sagen wir mal Gravitationswellen, mit anderen Branen “kommunizieren” könnten (ala Morse-Code)?

  11. #11 Gerhard Laimer
    23. April 2012

    Menschen sind Maschinen für Gene zur Weitergabe derselben. Dafür sind sie mit ausgezeichneten Werkzeugen (für diese Aufgabe!) ausgestattet. Als Nebenprodukt fällt die Fähigkeit der “Vorstellungskraft” ab. Da die Gene ökonomisch “handeln” (wichtig ist Replikation), sind Lebewesen als Maschinen nicht für “unwichtige Dinge” wie das Vorstellen von Multiversen prädestiniert. Ein Nebenprodukt der Fähigkeit zur Fortpflanzung, ist eben die “Gabe” sich etwas vorzustellen. Umso mehr ist es wunderbar wie aus diesem Nebeneffekt die Erfindung von Teilchenbeschleunigern und Weltraumteleskopen entstehen konnte. Wahrscheinlich ist die Existenz des Universums nicht von unserer Vorstellung abhängig, aber ganz sicher andersrum (bin mir da nicht total sicher sh. z.B. L. Krauss).

  12. #12 Alexander
    Bonn
    12. November 2012

    Klasse Artikel!!! :)