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Die eingebettete Welt

Könnte unsere Welt zusätzliche Raumdimensionen haben - und wenn ja, warum nehmen wir im Alltag nur drei davon wahr? Im Rahmen einiger Modelle der Quantengravitation, insbesondere in der so genannten Stringtheorie, sind solche Fragen gar nicht so abwegig, denn die Welt der Stringtheorie hat natürlicherweise neun oder sogar zehn Raumdimensionen. Auf die Frage, warum wir im Alltag nichts davon merken, gibt es mehrere Antworten. Eine davon ist, dass die zusätzlichen Dimensionen "aufgerollt" sein könnten - was das bedeutet, steht im Vertiefungsthema Extradimensionen - und wie man sie versteckt. Es könnte aber auch alles ganz anders sein - diese Möglichkeit eröffnen die so genannten "brane-world"-Modelle, die Branwelt-Modelle der Stringtheorie.

Eine eingebettete Welt

Grundidee dieser Modelle ist, dass die von uns wahrgenommene vierdimensionale Welt in einer zehndimensionalen Raumzeit eingebettet ist und sich auf einer so genannten Brane abspielt. Diese Brane wäre der dreidimensionale Raum, den wir kennen, und sie wäre nur ein kleiner Teil eines neundimensionales Raumes - ähnlich wie die folgende Abbildung ein zweidimensionales Blatt Papier zeigt (grün), das im dreidimensionalen Raum eingebettet ist:

Ameise auf Flaeche

Genauso wie die Welt für die Ameise in der Abbildung effektiv nur zwei Dimensionen hat, wären fast alle Elementarteilchen, insbesondere auch die Photonen, deren Austausch zwischen geladenen Teilchen die Ursache für deren elektrische Anziehung oder Abstoßung ist, und die geladenen Materieteilchen selber dazu verurteilt, sich nur auf dieser Brane zu bewegen. Sie können die Brane nicht verlassen und haben daher keine unmittelbare Kenntnis von den zusätzlichen Dimensionen. Das erklärt, warum wir Menschen die zusätzlichen Raumdimensionen weder sehen noch uns in die zusätzlichen Richtungen bewegen können.

Die Sonderrolle der Gravitation

Eine Ausnahme bilden die Gravitonen, die Austauschteilchen der Gravitationswechselwirkung: Sie können sich in allen neun Raumrichtungen fortbewegen, ohne an die Brane gebunden zu sein. Das ist interessant, da es eine Möglichkeit bietet, etwaige Extradimensionen jenseits der Brane unseres dreidimensionalen Raums experimentell nachzuweisen: Wie schnell die Gravitationskraft einer Masse schwächer wird, wenn man sich von dieser Masse entfernt, hängt von der Anzahl der Raumdimensionen ab (am Beispiel der elektrischen Kraft wird dieser Zusammenhang im Vertiefungsthema Extradimensionen auf der Spur erklärt). Das für drei Raumdimensionen typische Newtonsche Gravitationsgesetz, nach dem die Kraft mit dem Quadrat des Abstandes schwächer wird (verdoppelter Abstand gleich viermal schwächere Kraft) konnte bislang nur für Abstände von größer als einen Zehntel Millimeter experimentell bestätigt werden. Diese Experimente sind deshalb so schwierig, weil die Gravitationskraft so schwach ist und bei kleineren Abständen Restkräfte zwischen den Elektronenhüllen der Moleküle (die so genannte van-der-Waals-Kraft) bei weitem dominieren. (Korrekturen aufgrund der Allgemeinen Relativitätstheorie, in der das Kraftgesetz ebenfalls nicht exakt die Newtonsche Form hat, sind dagegen in solchen Situationen vernachlässigbar.) Immer genauere Messungen könnten Erstaunliches aufdecken - etwa, dass all der Raum, den wir um uns sehen, nur ein kleiner Ausschnitt einer viel größeren Welt ist.


Weitere Informationen

Die relativistischen Grundkonzepte, die diesem Vertiefungsthema zugrundeliegen, werden in Einstein für Einsteiger erklärt, insbesondere auf der Seite Superfäden und universelle Harmonie des Kapitels Relativität und Quanten.

Mehr zu den Extradimensionen bieten die Vertiefungsthemen Eine Frage der Sichtweise, Extradimensionen - und wie man sie versteckt und Extradimensionen auf der Spur. Verwandte Vertiefungsthemen auf einstein-online finden sich in der Kategorie Relativität und Quanten.