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#3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

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#3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von tomS » 24. Aug 2010, 23:00

Hallo liebe Abenteurer!

Der Hyperraum als Einstieg in eine wissenschaftliche Diskussion – oder pure Science Fiction? Na ja, eigentlich keines von beidem – oder doch von beidem Etwas.

Wie wird denn in der modernen Physik der Hyperraum diskutiert? Nun, nicht in dem Sinne, wie wir das aus Star Wars kennen. Die Mathematiker und Physiker haben konkrete mathematische Modelle entwickelt, die eben mehr als die für uns sichtbaren drei Raumdimensionen (Länge, Breite, Höhe) bzw. vier Dimensionen (wenn man die Zeit noch mitrechnet) beinhalten. Daran ist zunächst nichts Spannendes.

Ich greife mir daher mal eine eher spekulative (= nicht bestätigte) Theorie heraus, derzufolge unser Universum in einem höherdimensionalen Raum eingebettet ist, welcher zumindest indirekt physikalisch messbare Auswirkungen haben sollte.

Denken wir uns zunächst ein zweidimensionales Bild unseres Universums. Alle Planeten, Sterne und Galaxien seien auf einer (gekrümmten) Fläche aufgezeichnet. Die Geschichte unseres Universums ist dann eine Abfolge derartiger Flächen – so ähnlich wie in einem Daumenkino (natürlich ist das so nicht real, aber nur wenn wir eine Dimension weglassen, haben wir die Chance, in etwa ein anschauliches Bild des Hypperraums zu erhalten). Nun betrachten wir zu einem Zeitpunkt eine derartige Fläche eingebettet in den normalen dreidimensionalen Raum. Dieser (bzw. genauer die dritte Dimension) wäre dann der Hyperraum. Man kann sich vorstellen, dass man z.B. bei stark gekrümmten Flächen sogar Abkürzungen durch diesen Hyperraum finden könnte.

Falten wir die zweidimensionale Fläche zusammen, so berührt sie sich selbst. Dennoch ist die jeweils andere Fläche absolut unsichtbar, denn wir sowie sämtliche Materie und Strahlung können uns nur innerhalb einer Fläche bewegen. Die benachbarte Fläche – obwohl nur den Bruchteil eines Millimeters von uns entfernt – bleibt unsichtbar.

Tatsächlich gibt es eine Theorie (die sogenannte M-Theorie, eine Verallgemeinerung der Stringtheorie), derzufolge unser Universum eine unendlich ausgedehnte dreidimensionale „Membrane“ sein könnte, die in einem zehndimensionalen Raum „schwimmt“ (d.h. die Entsprechung des zweidimensionalen Bildes des Universums wäre das dreidimensionale Universum, die Entsprechung des dreidimensionalen Hyperraumes wäre der zehndimensionale Raum). Die elfte Dimension entspräche der Zeit.

Welche physikalischen Effekte könnte es denn in einer derartigen Theorie geben?

Zum ersten untersuchen die Forscher, ob der Urknall statt einer Explosion des Universums selbst nicht der Zusammenprall zweier fast paralleler Membranen gewesen sein könnte, und ob sich bestimmte physikalisch messbare Größen dann von den Vorhersagen aus der „gewöhnlichen“ Urknalltheorie unterscheiden.

Zum zweiten sagen die Theorien voraus, das nicht alle Wechselwirkungen (Kräfte) auf eine Membran beschränkt bleiben sein sollten. Stattdessen könnte die Gravitation auf eine Masse auf der benachbarten Membran einwirken. Dies ist ein durchaus interessanter Aspekt, da man heute davon ausgehen muss, dass es noch unentdeckte (sogenannte dunkle) Materie im Universum geben muss – warum nicht in einem eng benachbarten Universum?

Dies könnte praktisch im Vorbeigehen auch erklären, warum die Gravitation im Vergleich zu allen anderen Kräften so schwach ist; sie breitet sich in allen zehn Dimensionen aus, während sich die anderen Kräfte auf die bekannten drei Dimensionen konzentrieren.

Als letztes steht die Möglichkeit im Raum, dass sich von unserer Membran, d.h. von unserem Universum, zufällig „Blasen“ (wie Kaugummiblasen) ablösen, und daraus neue, kugelförmige sowie bei vollständigem Ab- bzw. Aufreißen auch ausgedehnte neue Universen entstehen. Dies eröffnet das faszinierende Bild, dass unser Universum (unsere Membran) neben unendlich vielen anderen Universen in einem zehndimensionalen Multiversum „schwimmt“, wobei ständig Kollisionen zwischen verschiedenen Universen stattfinden oder durch Ablösen von Blasen neue Universen entstehen …

Wenn ihr nun Lust bekommen habt, euch mit auf die Reise durch das Universum zu begeben und mitzudiskutieren, wie unser Universum entstanden sein könnte, wie es weitergeht, ob und wie es endet, was davor war, was sich außerhalb bzw. jenseits unseres Universums befindet, …, dann herzlich willkommen und viel Spaß.
Gruß
Tom

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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von Maclane » 25. Aug 2010, 09:28

Wie kann in deinem Beispiel die Gravitation in alle 10 Dimensionen hineinwirken?
Ist Gravitation nicht die Krümmung des Raumes also der "Membran"?

Wenn Gravitation von einer Membran zur anderen wirksam wäre, müsste doch die Eigenkrümmung der einen Membran von einer anderen, nahe gelegenen beeinflussbar sein. Das würde doch aber bedeuten, dass in der so beeinflussten Membran die Gravitationskonstante sich ändert, je nachdem wie nahe die andere Membran ist. Außerdem wäre die Gravitationskonstante auf der einen Seite der Membran anders als auf der anderen.

Seh ich das so richtig?

Gruß
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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von seeker » 25. Aug 2010, 10:32

... und müsste die Gravitation bei einer Wirksamkeit in 10 ausgedehnte Dimensionen nicht auch anders abnehmen als sie es tut - nämlich mit r²?

Grüße
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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von tomS » 25. Aug 2010, 10:55

Ja, ihr habt recht, das ist nicht ganz so einfach.

Die Gravitation wäre - anders als die anderen Kräfte, z.B. auch Licht - nicht auf einer Membran eingesperrt. Die Abnahme der Stärke würde auf mikroskopischen Skalen (also ganz in der Nähe der Membran - Physiker sagen oft einfach nur "Bran") tatsächlich vom bekannten Verhalten abweichen. Man würde also erwarten, dass sich das Newtonsche Gravitationsgesetz bei kleinen Abständen ändert - und dass man das evtl. sogar experimentell überprüfen kann. D.h. der Hyperraum hat evtl. beobachtbare Konsequenzen.

Dazu gibt es diverse Modelle, z.B.nach Randall-Sundrum (das ist alles etwas künstlich bzw. spekulativ). Dahinter stecken dann auch die Überlegungen zu den Mini-Schwarzen-Löchern am LHC usw.

Die Gravitation entspräche zunächst der Krümmung der Raumzeit in 11 Dimensionen. Diese "induziert" jedoch eine Metrik sowie eine Krümmung auf der Bran und somit die Gravitation auf der Bran.

Die Gravitationskonstante existiert "zweimal". Einmal als echte Konstante in 11 Dimensionen, ein weiteres Mal als "effektive" Konstante auf der Bran, die tatsächlich von der Geometrie in der Umgebung der Bran abhängen kann. Diese effektive Gravitationskonstante könnte einen deutlich anderen Wert haben und letztlich erlauben, dass eben diese Mini-Schwarzen-Löcher existieren.

Der Abstand der anderen Bran hat auch den Effekt, dass Materie auf der anderen Bran gravitativ wirkt. Dies ändert nicht wirklich die Gravitationskonstante, sondern führt zu soetwas wie dunkler Materie. Nehmen wir mal an, die Bran wäre mehrfach parallel gefaltet; dann könnten "direkt neben uns" aber eben auf den benachbarten Branen (eigentlich handelt es sich um eine Bran, aber das merkt man erst, wenn man die ganze Bran, also das ganze Universum anschaut) "Schattengalaxien" existieren, die uns eine dunkle Materie vorgaukeln. Jede dieser "Schattengalaxien" sähe dann ähnlich aus wie unsere und wir selbst würden dort als "dunkle Materie" wahrgenommen.

Es gibt keine zwei Seiten der Membran. Stellt auch am besten eine durchsichtige Folie vor, in der die Galaxien (farblich hervorgehoben) eingelassen sind. Dann sieht man sofort, dass es sinnlos ist, auf die eine Seite etwas anderes als auf die andere Seite aufzumalen.
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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von Maclane » 25. Aug 2010, 11:34

tomS hat geschrieben: Der Abstand der anderen Bran hat auch den Effekt, dass Materie auf der anderen Bran gravitativ wirkt. Dies ändert nicht wirklich die Gravitationskonstante, sondern führt zu soetwas wie dunkler Materie. Nehmen wir mal an, die Bran wäre mehrfach parallel gefaltet; dann könnten "direkt neben uns" aber eben auf den benachbarten Branen (eigentlich handelt es sich um eine Bran, aber das merkt man erst, wenn man die ganze Bran, also das ganze Universum anschaut) "Schattengalaxien" existieren, die uns eine dunkle Materie vorgaukeln. Jede dieser "Schattengalaxien" sähe dann ähnlich aus wie unsere und wir selbst würden dort als "dunkle Materie" wahrgenommen.
Das würde ich mal ausschließen, weil ja die Schattengalaxien nicht deckungsgleich mit den "echten" Galaxien wären. Unsere Beobachtungen zeigen aber, dass die dunkle Materie immer dort ist, wo auch die Galaxien sind (naja eigentlich andersrum). Gäbe es dagegen diese Schattengalaxien benachbarter Branen oder Branenflächen, müssten wir z.B. dunkle Materie auch an Stellen finden, wo keine leuchte Materie ist - z.B. sähen wir eine Gravitationslinse mitten in einem Void (Leerraum).
tomS hat geschrieben:Es gibt keine zwei Seiten der Membran. Stellt auch am besten eine durchsichtige Folie vor, in der die Galaxien (farblich hervorgehoben) eingelassen sind. Dann sieht man sofort, dass es sinnlos ist, auf die eine Seite etwas anderes als auf die andere Seite aufzumalen.
Seh ich sofort ein. ;)
Nur seh ich noch nicht, warum Branen immer parallel zueinander sein sollten (so wird's auch in den Illustrationen immer gezeichnet). Sie könnten doch auch senkrecht aufeinander zeigen oder in jedem beliebigen anderen Winkel. Und dann gäb es Stellen, wo die Gravitation einer Nachbarbrane stärker wirkt als woanders. Und wenn das so wäre, müssten wir im Universum einen "Fluchtpunkt" finden können und die Vorstellung von Homogenität und Isotropie wär erstmal futsch, oder?

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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von tomS » 25. Aug 2010, 13:02

Dass Schattengalaxien exakt mit der unsrigen zur Deckung kommen ist natürlich genauso künstlich wie die exakt parallele Ausrichtung.

Zur Klarstellung: es handelt sich um ein physikalisch motiviertes, teilweise spekulatives Modell eines Hyperraumes, das sich u.a. aus der Stringtheorie motivieren lässt. Es handelt sich nicht um eine etablierte = überprüfte bzw. unstrittige Tatsache!
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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von Maclane » 25. Aug 2010, 13:12

Naja, immerhin hat es diese Theorie sogar in die populärwissenschaftliche Literatur geschafft ("Das Universum in der Nussschale"). :wink:

Ergibt sich denn das Branenmodell zwingend aus der Stringtheorie oder ist es eher vergleichbar mit den Wurmlöchern in der ART (also ein "Abfallprodukt")?

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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von tomS » 25. Aug 2010, 18:31

Maclane hat geschrieben:Ergibt sich denn das Branenmodell zwingend aus der Stringtheorie oder ist es eher vergleichbar mit den Wurmlöchern in der ART (also ein "Abfallprodukt")?
Weder noch; es ist eine Idee, wie man höherdimensionale Theorien anders "kompaktifizieren" kann als in der Stringtheorie. Deswegen habe ich oben auch "inspiriert" geschrieben; es gibt keine exakte Herleitung
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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von gravi » 25. Aug 2010, 19:12

Könnte es dann vielleicht sein, dass wenn die Gravitation der Parallelbran auf unseren Kosmos wirkt, dies die beschleunigte Expansion bewirkt? Dass sich also vielleicht die andere Bran gerade wieder "nähert" und somit gravitativ auf die Galaxien wird und diese beschleunigt?

Ist vielleicht sogar die gesamte Expansion auf diese Bran zurückzuführen?

Gruß
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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von tomS » 25. Aug 2010, 22:36

muss ich passen!

Das einzige was ich weiß ist, dass die Stringtheorie aus irgendeinem Grund Probleme hat, eine deSitter Kosmologie sowie beschleunigte Expansion zu beschreiben, und dass Anti-deSitter einfacher funktioniert (siehe AdS/CFT); ich weiß nicht, warum das so ist.
Gruß
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Re: #3 Der Hyperraum (jenseits unseres Universums)

Beitrag von tomS » 26. Aug 2010, 08:34

Die Kollision zweier Branen ist als sogenanntes ekpyrotisches Szenario bekannt. Es sollte insbs. Abweichungen in den langwelligen primordialen Gravitationswellen und damit in der kosmischen Hintergrundstrahlung geben, die dieses Szenario vom Urknall-Modell unterscheiden.

Allerdings wird dabei nichts über die heute beobachtete beschleunigte Expansion gesagt.
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