Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

die noch kleiner sind als diejenigen, die für die Elementarteilchenphysik relevant sind, aber wir werden alles, was dermaßen klein ist, ignorieren. Wir machen uns wieder den Ansatz der effektiven Theorie zu eigen und ignorieren alles, was zu klein oder unsichtbar ist, als dass es je einen messbaren Einfluss hätte.
    Die Stringtheorie führt auch noch andere Elemente ein – insbesondere Branen –, die für die Geometrie des Universums reichere Möglichkeiten bieten, wenn es tatsächlich Extra-Dimensionen enthält. In den 1990er Jahren wies der Stringtheoretiker Joe Polchinski nach, dass die Stringtheorie nicht einfach eine Theorie eindimensionaler Objekte namens Strings war. Zusammen mit vielen anderen zeigte er, dass höherdimensionale Objekte, die Branen genannt werden, für die Theorie ebenfalls wesentlich waren.
    Das Wort »Brane« leitet sich von »Membrane« her. Wie Membranen, die zweidimensionale Oberflächen im dreidimensionalen Raum sind, sind Branen niedrigerdimensionale Oberflächen in einem höherdimensionalen Raum. Diese Branen können Teilchen und Kräfte einfangen, so dass sie sich nicht durch den gesamten höherdimensionalen Raum bewegen. Branen im höherdimensionalen Raum sind wie ein Duschvorhang in Ihrem Badezimmer, der eine zweidimensionale Oberfläche in einem dreidimensionalen Zimmer darstellt (siehe Abbildung 62). Wassertropfen können nur über die zweidimensionale Oberfläche des Vorhangs wandern, ebenso wie Teilchen und Kräfte auf der niedrigerdimensionalen »Oberfläche« einer Brane festsitzen könnten.

Abb. 62: Eine Brane fängt Teilchen und Kräfte ein, die sich auf ihr entlang-, aber nicht von ihr wegbewegen können – ebenso wie Wassertröpfchen, die sich auf einem Duschvorhang bewegen, aber nicht von ihm wegwandern können.
    Grob gesprochen, gibt es zwei Arten von Strings: offene Strings mit Enden und geschlossene Strings , die Schleifen bilden wie Gummibänder (siehe Abbildung 63). In den 1990er Jahren bemerkten Stringtheoretiker, dass die Enden offener Strings nicht an beliebigen Orten sein können – sie müssen sich auf Branen befinden. Wenn Teilchen aus den Oszillationen der offenen Strings entstehen, die in einer Brane verankert sind, dann sind sie ebenfalls an diesen Ort gebunden. Die Teilchen, d.h. die Oszillationen dieser Strings, sitzen dann fest. Wie bei Wassertropfen auf einem Duschvorhang können sie sich zwar entlang der Dimensionen der Branen bewegen, aber nicht von ihnen weg.

Abb. 63: Ein offener String mit zwei Enden und ein endloser, geschlossener String.
    Die Stringtheorie deutet zwar auf die Existenz vieler Arten von Branen hin, aber diejenigen, die am interessantesten für Modelle sein werden, die das Hierarchieproblem behandeln, umfassen solche, die sich über drei Dimensionen erstrecken – die drei physikalischen Dimensionen des Raums, die wir kennen. Teilchen und Kräfte können auf diesen Branen eingefangen werden, auch wenn die Gravitationskraft und der Raum sich über mehr Dimensionen erstrecken (in Abbildung 64 ist eine schematische Darstellung einer Branenwelt zu sehen, die einen Menschen und einen Magneten auf einer Brane zeigt, wobei die Gravitationskraft sich sowohl auf dieser Brane als auch von ihr weg ausbreitet).
    Die Extra-Dimensionen der Stringtheorie könnten eine physikalische Relevanz für die sichtbare Welt haben, und dasselbe könnte auch für dreidimensionale Branen gelten. Der vielleicht wichtigste Grund für die Erwägung von Extra-Dimensionen ist, dass sie sichtbare Phänomene beeinflussen und insbesondere bedeutende Rätsel wie z.B. das Hierarchieproblem der Elementarteilchenphysik lösen könnten. Extra-Dimensionen und Branen könnten der Schlüssel zur Auflösung folgender Frage sein: Sie könnten das Problem lösen, warum die Gravitationskraft so schwach ist.

Abb. 64: Teilchen und Kräfte des Standardmodells können auf einer Branenwelt festsitzen, die in einem höherdimensionalen Raum existiert. In diesem Fall existieren mein Cousin Matt, die uns bekannte Materie und die Sterne, Kräfte wie der Elektromagnetismus und unsere Galaxie und das Universum alle in seinen drei räumlichen Dimensionen. Andererseits kann sich die Gravitationskraft immer durch den gesamten Raum erstrecken. (Foto mit Genehmigung von Marty Rosenberg)
    Womit wir zu dem jetzt vielleicht besten Grund gelangen, warum wir über Extra-Dimensionen des Raumes nachdenken sollten. Sie können nämlich Konsequenzen für Phänomene haben, die wir zu verstehen