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Warum Raumzeit im kleinsten Maßstab zweidimensional sein kann
1973 veröffentlichten George Ellis und Stephen Hawking ein Buch mit dem Titel The Large Scale Structure of Spacetime. Ihr Ziel sei es, die Raumzeit auf einer Skala von 10^(-13)cm bis 10^28cm zu verstehen, also von der Größe der Elementarteilchen bis zum Radius des Universums.
Das mag ambitioniert klingen, aber fast 40 Jahre später haben Kosmologen es so ziemlich auf den Punkt gebracht, sagt Steve Carlip, theoretischer Physiker an der University of California, Davis. Soweit es uns möglich ist, so etwas zu messen, verhält es sich wie eine glatte (3+1)-dimensionale Riemannsche Mannigfaltigkeit.
Deshalb haben sich theoretische Physiker der Struktur der Raumzeit in noch kleineren Maßstäben zugewandt. Allerdings gibt es hier ein Problem. Zum größten Teil haben wir weder direkte Beobachtungen noch einen allgemein akzeptierten theoretischen Rahmen zur Beschreibung der sehr kleinräumigen Struktur der Raumzeit, sagt Carlip. Tatsächlich ist sich niemand ganz sicher, ob die Begriffe „Raum“ und „Zeit“ in dieser Größenordnung eine vernünftige Bedeutung haben.
Heute skizziert Carlip seine eigene faszinierende Sichtweise auf das Problem, dass Raumzeit im kleinsten Maßstab zweidimensional sein kann. Obwohl dies ein wenig kontraintuitiv erscheinen mag, gibt es eine wachsende Zahl von Indikatoren (Beweise ist ein zu starkes Wort), die auf diese Schlussfolgerung hindeuten.
Carlip sagt, dass jüngste Arbeiten in der Schleifen-Quantengravitation, der Hochtemperatur-String-Theorie, der Renormierungsgruppenanalyse, die auf die allgemeine Relativitätstheorie und andere Bereiche der Quantengravitationsforschung angewendet wird, alle auf eine zweidimensionale Raumzeit im kleinsten Maßstab hinweisen. In den meisten dieser Fälle kollabiert die Anzahl der Dimensionen einfach in einem Prozess, der spontane Dimensionsreduktion genannt wird, wenn sich der Maßstab verringert.
Eine offensichtliche Frage lautet: Wenn auf dieser Skala nur zwei Dimensionen vorhanden sind, welche zwei sind es dann? Carlip berechnet, dass sie eine von Zeit und eine von Raum sein müssen. An jedem Punkt wählt die Dynamik eine bevorzugte Raumrichtung aus, was zu einer ungefähr (1+1)-dimensionalen lokalen Physik führt, sagt er.
Dann betritt er interessantes Terrain mit der Behauptung, dass diese Vorzugsrichtung klassisch bestimmt und dann durch die auf diesen Skalen wirkenden physikalischen Prozesse randomisiert werden muss. Das klingt verlockend nach einer versteckten Variablentheorie, wie sie mindestens einem Physik-Nobelpreisträger gefallen könnte.
Die Millionenfrage ist, ob Carlips Einstellung zu diesem Thema richtig ist. Er gibt fröhlich zu, dass die Idee noch sehr spekulativ ist. Das unterscheidet sie nicht wesentlich vom Rest der modernen Kosmologie.
Im Gegensatz zu vielen Theoretikern der Quantengravitation weist Carlip jedoch auf die Art von Experimenten hin, die ihm Recht geben könnten. Der von mir beschriebene Prozess durchbricht die Lorentz-Invarianz auf der Planck-Skala, und selbst kleine Verletzungen auf dieser Skala können vergrößert werden und zu beobachtbaren Effekten auf großen Skalen führen, sagt er.
Das ist ein interessanter Gedanke. Er sagt, dass sich die Gesetze der Physik in dieser Größenordnung je nach Reiserichtung ändern sollten. Und obwohl sie ständig zufällig variieren, könnte dies in einem ausreichend cleveren Experiment immer noch messbar sein.
Zeit für die Experimentatoren, ihre Denkkappen aufzusetzen.
Ref: arxiv.org/abs/1009.1136 : Die kleinräumige Struktur der Raumzeit