1905 zeigte Albert Einstein in seiner Speziellen Relativitätstheorie, dass der Raum über die kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung des Lichts eng mit der Zeit verbunden ist und wir streng genommen in einem Universum mit vier Raum-Zeit-Dimensionen leben. Für alltägliche Zwecke stellen wir uns das Universum jedoch in drei Raumdimensionen (Nord-Süd, Ost-West, Oben-Unten) und einer Zeitdimension (Vergangenheit-Zukunft) vor. In diesem Fall wäre eine fünfte Dimension eine zusätzliche Raumdimension.
Eine solche Dimension wurde in den 1920er Jahren unabhängig voneinander von den Physikern Oskar Klein und Theodor Kaluza vorgeschlagen. Sie wurden von Einsteins Gravitationstheorie inspiriert, die zeigte, dass Masse die vierdimensionale Raumzeit verzerrt.
Da wir diese vier Dimensionen nicht wahrnehmen können, schreiben wir die Bewegung in Gegenwart eines massiven Körpers, wie z. B. eines Planeten, nicht dieser Krümmung zu, sondern einer „Kraft“ der Schwerkraft. Könnte die andere damals bekannte Kraft (die elektromagnetische Kraft) durch die Krümmung einer zusätzlichen Raumdimension erklärt werden?
Kaluza und Klein stellten fest, dass dies möglich war. Da die elektromagnetische Kraft aber 1.040-mal stärker war als die Schwerkraft, musste die Krümmung der Extradimension so groß sein, dass sie viel kleiner als ein Atom aufgerollt und nicht mehr wahrnehmbar wäre. Wenn ein Teilchen wie ein Elektron für uns unsichtbar durch den Raum reiste, würde es sich wie ein Hamster in einem Laufrad in der fünften Dimension drehen.
Der fünfdimensionalen Theorie von Kaluza und Klein wurde durch die Entdeckung zweier weiterer fundamentaler Kräfte, die im Bereich des Atomkerns wirken, ein schwerer Schlag versetzt:der starken und der schwachen Kernkraft.
Aber die Idee, dass zusätzliche Dimensionen Kräfte erklären, wurde ein halbes Jahrhundert später von Befürwortern der „String-Theorie“ wiederbelebt, die die grundlegenden Bausteine des Universums nicht als Teilchen, sondern als winzige „Strings“ aus Masse-Energie betrachtet. Um alle vier Kräfte nachzuahmen, schwingen die Saiten in der 10-dimensionalen Raumzeit, wobei sechs Raumdimensionen zusammengerollt viel kleiner als ein Atom sind.
Die Stringtheorie führte zu der Idee, dass unser Universum eine dreidimensionale Insel oder „Brane“ sein könnte, die in der 10-dimensionalen Raumzeit schwebt. Dies eröffnete die faszinierende Möglichkeit, zu erklären, warum die Schwerkraft im Vergleich zu den anderen drei Grundkräften so außerordentlich schwach ist. Während die Kräfte an die Brane geheftet sind, so die Idee, entweicht die Schwerkraft in die sechs zusätzlichen Raumdimensionen und schwächt ihre Kraft auf die Brane enorm ab.
Es gibt einen Weg, eine größere fünfte Dimension zu haben, die so gekrümmt ist, dass wir sie nicht sehen, und dies wurde 1999 von den Physikern Lisa Randall und Raman Sundrum vorgeschlagen. Eine zusätzliche Raumdimension könnte sogar eine davon erklären die großen kosmischen Mysterien:die Identität der „dunklen Materie“, des unsichtbaren Materials, das die sichtbaren Sterne und Galaxien um den Faktor sechs zu überwiegen scheint.
Im Jahr 2021 schlug eine Gruppe von Physikern der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz vor, dass sich die Schwerkraft bisher unbekannter Teilchen, die sich in einer verborgenen fünften Dimension ausbreiten, in unserem vierdimensionalen Universum als die zusätzliche Schwerkraft manifestieren könnte, die wir derzeit der Dunklen Materie zuschreiben.
Obwohl es eine aufregende Möglichkeit ist, sollte darauf hingewiesen werden, dass es keinen Mangel an möglichen Kandidaten für dunkle Materie gibt, einschließlich subatomarer Teilchen, die als Axionen bekannt sind, schwarze Löcher und Zeitumkehrmaterie aus der Zukunft!
Weiterlesen:
- Was ist Antimaterie und warum fehlt sie heute im Universum?
- Brauchen wir eine Theorie von allem?
- Wo ist der Rand des beobachtbaren Universums? Und was kommt dahinter?
- Leben wir in einer Simulation?