Eine der Hauptaufgaben der theoretischen Physik heute ist es, eine Antwort auf die Frage zu finden, ob es höhere Dimensionen gibt. Besteht Raum wirklich nur aus Länge, Breite und Höhe oder ist er nur eine Begrenzung der menschlichen Wahrnehmung? Über Jahrtausende hinweg lehnten Wissenschaftler die Idee der Existenz eines mehrdimensionalen Raums entschieden ab. Die wissenschaftliche und technologische Revolution hat sich jedoch stark verändert, und die Wissenschaft ist heute nicht mehr so kategorisch in der Frage der höheren Dimensionen.
Was ist die Essenz des Konzepts des "mehrdimensionalen Raums"?
Der Mensch lebt in einer Welt, die aus drei Dimensionen besteht. Die Koordinaten eines beliebigen Objekts können in drei Werten ausgedrückt werden. Und manchmal zwei - wenn es darum geht, was sich auf der Erdoberfläche befindet.
Länge, Breite und Höhe können verwendet werden, um sowohl terrestrische Objekte als auch Himmelskörper - Planeten, Sterne und Galaxien - zu beschreiben. Sie reichen auch für Dinge aus, die den Mikrokosmos bewohnen - Moleküle, Atome und ElementarePartikel. Die vierte Dimension wird als Zeit betrachtet.
In einem mehrdimensionalen Raum müssen mindestens fünf Dimensionen vorhanden sein. Die moderne theoretische Physik hat viele Theorien für Räume mit unterschiedlichen Dimensionen entwickelt – bis zu 26. Es gibt auch eine Theorie, die einen Raum mit unendlich vielen Dimensionen beschreibt.
Von Euklid bis Einstein
Physiker und Mathematiker der Antike, des Mittel alters und der Neuzeit leugneten kategorisch die Möglichkeit der Existenz höherer Dimensionen. Einige Mathematiker haben sogar Begründungen für die Begrenzung des Raums durch drei Parameter abgeleitet. Die euklidische Geometrie nahm nur drei Dimensionen an.
Vor dem Aufkommen der Allgemeinen Relativitätstheorie betrachteten Wissenschaftler den multidimensionalen Raum im Allgemeinen als ein Thema, das der Untersuchung und Weiterentwicklung von Theorien nicht würdig sei. Als Albert Einstein die Konzepte der Raumzeit formulierte, indem er drei Dimensionen mit der vierten, der Zeit, kombinierte, verschwand die Gewissheit in dieser Angelegenheit sofort.
Die Relativitätstheorie beweist, dass Zeit und Raum keine getrennten und unabhängigen Dinge sind. Wenn Astronauten zum Beispiel lange Zeit an Bord eines Schiffes gehen, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, dann werden sie bei der Rückkehr zur Erde jünger sein als ihre Altersgenossen. Der Grund dafür ist, dass für sie weniger Zeit vergehen wird als für die Menschen auf der Erde.
Kaluza-Klein-Theorie
Im Jahr 1921 erstellte der deutsche Mathematiker Theodor Kaluza mithilfe der Gleichungen der Relativitätstheorie eine Theorie, diedie zum ersten Mal Gravitation und Elektromagnetismus kombinierte. Nach dieser Theorie hat der Raum fünf Dimensionen (einschließlich der Zeit).
1926 leitete der schwedische Physiker Oscar Klein die von Kaluza beschriebene Begründung für die Unsichtbarkeit der fünften Dimension ab. Es bestand darin, dass die höheren Dimensionen auf einen unglaublich kleinen Wert komprimiert wurden, der als Planck-Wert bezeichnet wird und 10-35 beträgt. In der Folge bildete dies die Grundlage für andere Theorien des mehrdimensionalen Raums.
Stringtheorie
Dieser Bereich der Theoretischen Physik ist mit Abstand der vielversprechendste. Die Stringtheorie behauptet, das zu sein, wonach Physiker seit dem Aufkommen der Allgemeinen Relativitätstheorie gesucht haben. Das ist die sogenannte Theorie von allem.
Tatsache ist, dass zwei grundlegende physikalische Prinzipien - die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik - in unlösbarem Widerspruch zueinander stehen. Die Theorie von allem ist ein hypothetisches Konzept, das dieses Paradoxon erklären könnte. Die Stringtheorie wiederum ist für diese Rolle besser geeignet.
Die Essenz davon ist, dass auf der subatomaren Ebene der Struktur der Welt Teilchen schwingen, ähnlich der Schwingung gewöhnlicher Saiten, zum Beispiel einer Geige. Daher hat die Theorie ihren Namen. Darüber hinaus sind die Abmessungen dieser Saiten extrem klein und schwanken um die Planck-Länge – dieselbe, die in der Kaluza-Klein-Theorie vorkommt. Wird ein Atom auf die Größe einer Galaxie vergrößert, dann erreicht die Schnur nur noch die Größe eines ausgewachsenen Baumes. Die Stringtheorie funktioniert nur im mehrdimensionalen Raum. Und es gibt mehrereVersionen. Einige erfordern einen 10-dimensionalen Raum, während andere einen 26-dimensionalen Raum benötigen.
Zur Zeit ihrer Entstehung wurde die Stringtheorie von Physikern mit großer Skepsis wahrgenommen. Aber heute ist es das beliebteste, und viele theoretische Physiker sind an seiner Entwicklung beteiligt. Es ist jedoch noch nicht möglich, die Bestimmungen der Theorie experimentell zu beweisen.
Hilbert-Leerzeichen
Eine andere Theorie, die höhere Dimensionen beschreibt, ist der Hilbert-Raum. Es wurde von dem deutschen Mathematiker David Hilbert während seiner Arbeit an der Theorie der Integralgleichungen beschrieben.
Hilbert-Raum ist eine mathematische Theorie, die die Eigenschaften des euklidischen Raums in unendlichen Dimensionen beschreibt. Das heißt, es ist ein mehrdimensionaler Raum mit unendlich vielen Dimensionen.
Hyperspace in der Science-Fiction
Die Idee des mehrdimensionalen Raums hat zu vielen Science-Fiction-Plots geführt - sowohl literarisch als auch filmisch.
So verwendet die Menschheit in Dan Simmons' "Songs of Hyperion"-Tetralogie ein Netzwerk von hyperräumlichen Null-Portalen, die in der Lage sind, Objekte sofort über große Entfernungen zu übertragen. Auch in Robert Heinleins Starship Troopers reisen Soldaten im Hyperraum.
Die Idee des Hyperraumflugs wurde in vielen Weltraumopernfilmen verwendet, darunter die berühmte Star Wars-Saga und die Fernsehserie Babylon 5.
Die Handlung des Films "Interstellar" ist fast ausschließlich an die Idee gebundenhöhere Dimensionen. Auf der Suche nach einem geeigneten Planeten zur Kolonisierung reisen die Helden durch Wurmlöcher – einen Hyperraumtunnel, der zu einem anderen System führt – durch den Weltraum. Und gegen Ende betritt die Hauptfigur die Welt des mehrdimensionalen Raums, mit deren Hilfe es ihm gelingt, Informationen in die Vergangenheit zu übertragen. Der Film zeigt auch deutlich den von Einstein hergeleiteten Zusammenhang zwischen Raum und Zeit: Für Astronauten vergeht die Zeit langsamer als für Charaktere auf der Erde.
Im Film "Cube 2: Hypercube" finden sich die Charaktere in einem Tesseract wieder. In der Theorie der höheren Dimensionen spricht man also von einem mehrdimensionalen Würfel. Auf der Suche nach einem Ausweg finden sie sich in Paralleluniversen wieder, wo sie auf ihre alternativen Versionen treffen.
Die Idee eines mehrdimensionalen Raums ist immer noch fantastisch und unbewiesen. Heute ist es jedoch viel näher und realer als noch vor einigen Jahrzehnten. Es ist durchaus möglich, dass Wissenschaftler im nächsten Jahrhundert einen Weg entdecken, sich in höheren Dimensionen zu bewegen und somit in Parallelwelten zu reisen. Bis dahin werden die Leute viel über dieses Thema phantasieren und erstaunliche Geschichten erfinden.
