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Physiker finden einen Weg zusätzliche Dimensionen zu "sehen"

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Bei dem Blick rückwärts in der Zeit, hin zum ersten Augenblick nach dem Urknall, haben Physiker an der Universität Wisconsin-Madison einen Ansatz gefunden, der helfen könnte, die verborgene Form, von zusätzlichen Dimensionen im Universum, zu erschließen.

Eine neue Untersuchung demonstriert, dass die Formen der zusätzlichen Dimensionen "gesehen" werden können, indem man den Einfluss der von ihnen freigegebenen kosmischen Energie, die bei der Geburt des Universums vor 13 Milliarden Jahren freigesetzt wurde, entschlüsselt. Die Methode liefert Hinweise darauf, dass Physiker Daten aus Experimenten nutzen können, um die Natur dieser schwer zu fassenden Dimensionen zu erkennen — deren Existenz ein kritischer, jedoch bisher noch  nicht bewiesener Bestandteil der Stringtheorie ist, der führenden Theorie für eine vereinte "Theorie von Allem."

Wissenschaftler entwickelten die Stringtheorie, die vorhersagt, dass alles im Universum aus winzigen, vibrierenden Strings aus Energie besteht, um alle Objekte, von den riesigen Galaxien bis hin zu subatomaren Teilchen, erklären zu können. Obwohl sie der Spitzenkandidat für die Erklärung des Kosmos ist, bleibt die Theorie bisher ungetestet.

Die Mathematik der Stringtheorie deutet an, dass die Welt wie wir sie kennen nicht vollständig ist. Zusätzlich zu den uns bekannten 4 Dimensionen - 3 Raumdimensionen (Länge, Breite, Höhe) und die Zeit -- sagt die Stringtheorie die Existenz von mindestens 6 weiteren, räumlichen Dimensionen vorher, "versteckte" Dimensionen, zusammengezogen in winzigen geometrischen Figuren, in jedem Punkt in unserem Universum.

Machen Sie sich keine Sorgen, wenn sie sich keine 10-dimensionale Welt vorstellen können. Unser Gehirn ist an nur 3 räumlichen Dimensionen gewöhnt und hat keine Möglichkeit sich die weiteren 6 vorzustellen, sagt UW-Madison Physiker Gary Shiu, der die neue Studie durchführte. Obwohl Wissenschaftler Computer benutzen um zu visualisieren wie 6 dimensionale Geometrien aussehen könnten, weiß niemand sicher welche Form sie haben.

Die neue Arbeit könnte die lang gesuchte Grundlage bilden, um diese bisher nicht messbaren Aspekte der Stringtheorie zu messen.

Ausgehend von der Mathematik der Stringtheorie, könnten die extra Dimensionen jede von zehntausenden möglichen Formen annehmen, wobei jede Form theoretisch einem eigenen Universum entspricht, mit einem eigenen Satz von physikalischen Gesetzen.

Für unser Universum, "hat die Natur eine Form herausgesucht -- und wir wollen wissen wie diese aussieht," erklärt Henry Tye, ein Physiker von der Cornell University, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. 

Shiu sagt, dass die viel-dimensionalen Formen viel zu klein sind um gesehen, oder mit herkömmlichen Mitteln beobachtet werden zu können, was einen Test dieses wichtigen Aspekts sehr schwierig macht. "Man kann alles theoretisch darlegen, aber man muss auch in der Lage sein, dies experimentell zu beweisen," sagt er. "Das Problem ist nun, wie testen wir es?" 

Er und sein Student Bret Underwood wandten sich dem Himmel zu, um eine Idee zu bekommen.

Ihr Ansatz basiert auf der Idee, dass die 6 winzigen Dimensionen den stärksten Einfluss auf das Universum hatten, als es selber nur ein winziger Fleck komprimierter Materie und Energie war -- was kurz nach dem Urknall der Fall war.

"Unsere Idee war es zurück in der Zeit zu gehen und zu schauen was damals passierte," sagt Shiu. "Wir konnten natürlich nicht wirklich in der Zeit zurück gehen."

Aufgrund der fehlenden Zeitmaschine, benutzten sie das nächstbeste Ding: eine Karte der kosmischen Energie, die vom Urknall freigesetzt wurde. Die Energie, aufgenommen von Satelliten wie etwa NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), hat sich in den vergangenen 13 Milliarden Jahren kaum verändert und ist "ein Schnappschuss des Baby-Universums," sagt Shiu. Das WMAP Experiment ist der Vorläufer von NASA's Cosmic Background Explorer (COBE) Projekt, für das im Jahr 2006 der Nobelpreis in Physik verliehen wurde. 

So wie der Schatten einen Hinweis auf die Form eines Objektes geben kann, kann das Muster der kosmischen Energie am Himmel einen Hinweis auf die Gestalt der anderen 6 Dimensionen geben, erklärt Shiu.

Um zu lernen die verdächtigen Zeichen der 6 dimensionalen Geometrie aus der kosmischen Karte herauszulesen, arbeiteten sie rückwärts. Angefangen mit zwei unterschiedlichen Typen von mathematisch einfachen Geometrien, genannt verzerrte Hälse, berechneten sie die vorhergesagte Energieverteilung, die man in einem Universum sehen würde, dass durch eine solche Form beschrieben würde. Als sie die beiden Karten verglichen, fanden sie zwei kleine, aber entscheidende Unterschiede zwischen ihnen. 

Die Ergebnisse zeigen, dass spezielle Muster der kosmischen Energie, Hinweise auf die Geometrie der 6 dimensionalen Form enthalten -- die ersten beobachtbaren Daten um diese Vorhersage zu demonstrieren, sagt Tye.

Obwohl die derzeitigen Daten nicht genau genug sind um dies für unser Universum zu untersuchen, sollten zukünftige Experimente, wie ESA´s Planck Satellit, genau genug sein um die feinen Variationen zwischen den verschiedenen Geometrien zu entdecken, sagt Shiu.

"Unsere Resultate mit einfachen, gut bekannten Formen, beweisen, dass die Geometrie der versteckten Dimensionen durch die Muster der kosmischen Energie entschlüsselt werden können," sagt er. "Dies bietet eine seltene Möglichkeit, bei der die Stringtheorie getestet werden kann."

Technische Weiterentwicklungen um detailliertere kosmische Karten aufzunehmen, sollten dabei helfen die Möglichkeiten einzuschränken und den Wissenschaftlern erlauben den Code der Karte der kosmischen Energie zu verstehen -- ein kleiner Schritt weiter in die Richtung eine einzige Geometrie zu identifizieren, die auf unser Universum passt.

Die Auswirkungen einer solchen Möglichkeit führen sehr weit, sagt Tye. "Wenn diese Form gemessen werden kann, würde dies ebenfalls aussagen, dass die Stringtheorie richtig ist."

Quelle: University of Wisconsin-Madison

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