Bildnachweis: Hubble
Wissenschaftler, die den Urknall studieren, sagen, dass es möglich ist, dass die Stringtheorie eines Tages experimentell durch Messungen des Nachglühens des Urknalls getestet wird.
Richard Easther, Assistenzprofessor für Physik an der Yale University, wird die Möglichkeit bei einem Treffen an der Stanford University am Mittwoch, dem 12. Mai, mit dem Titel „Beyond Einstein: Vom Urknall zu den Schwarzen Löchern“ erörtern. Easthers Kollegen sind Brian Greene von der Columbia University, William Kinney von der University in Buffalo, SUNY, Hiranya Peiris von der Princeton University und Gary Shiu von der University of Wisconsin.
Die Stringtheorie versucht, die Physik des Großen (Schwerkraft) und des Kleinen (Atom) zu vereinheitlichen. Diese werden nun durch zwei Theorien beschrieben, die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie, die beide wahrscheinlich unvollständig sind.
Kritiker haben die Stringtheorie als eine „Philosophie“ verachtet, die nicht getestet werden kann. Die Ergebnisse von Easther und seinen Kollegen legen jedoch nahe, dass Beobachtungsergebnisse, die die Stringtheorie unterstützen, in sorgfältigen Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) gefunden werden können, dem ersten Licht, das nach dem Urknall auftaucht.
"Im Urknall, dem mächtigsten Ereignis in der Geschichte des Universums, sehen wir die Energien, die erforderlich sind, um die subtilen Zeichen der Stringtheorie aufzudecken", sagte Easther.
Die Stringtheorie offenbart sich nur über extrem kleine Entfernungen und bei hohen Energien. Die Planck-Skala misst 10-35 Meter, die theoretisch kürzeste Entfernung, die definiert werden kann. Im Vergleich dazu ist ein winziges Wasserstoffatom mit einem Durchmesser von 10 bis 10 Metern zehn Billionen Billionen Mal so breit. In ähnlicher Weise erzeugen die größten Teilchenbeschleuniger Energien von 1015 Elektronenvolt, indem sie subatomare Teilchen kollidieren. Dieses Energieniveau kann die Physik der Quantentheorie offenbaren, ist aber immer noch ungefähr eine Billion Mal niedriger als die Energie, die zum Testen der Stringtheorie benötigt wird.
Wissenschaftler sagen, dass die fundamentalen Kräfte des Universums - Schwerkraft (definiert durch die allgemeine Relativitätstheorie), Elektromagnetismus, "schwache" radioaktive Kräfte und "starke" Kernkräfte (alle definiert durch die Quantentheorie) - im hochenergetischen Blitz des Großen vereint waren Bang, als alle Materie und Energie auf einer subatomaren Skala begrenzt waren. Obwohl der Urknall vor fast 14 Milliarden Jahren stattfand, bedeckt sein Nachglühen, das CMB, immer noch das gesamte Universum und enthält eine versteinerte Aufzeichnung der ersten Momente der Zeit.
Die Wilkinson-Mikrowellenanisotropiesonde (WMAP) untersucht den CMB und erkennt subtile Temperaturunterschiede innerhalb dieser weitgehend gleichmäßigen Strahlung, die nur bei 2,73 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt leuchtet. Die Einheitlichkeit ist ein Beweis für die „Inflation“, eine Zeit, in der sich die Expansion des Universums etwa 10 bis 33 Sekunden nach dem Urknall rasch beschleunigte. Während der Inflation wuchs das Universum von einer atomaren zu einer kosmischen Skala und vergrößerte sich hundert Billionen Billionen Mal. Das Energiefeld, das die Inflation antrieb, enthielt wie alle Quantenfelder Schwankungen. Diese Schwankungen, die wie Wellen auf einem gefrorenen Teich im kosmischen Mikrowellenhintergrund eingeschlossen sind, können Hinweise auf die Stringtheorie enthalten.
Easther und seine Kollegen vergleichen die schnelle kosmische Expansion, die unmittelbar nach dem Urknall stattfand, mit der Vergrößerung eines Fotos, um einzelne Pixel freizulegen. Während die Physik auf der Planck-Skala einen Durchmesser von 10 bis 35 Metern aufwies, könnte die Fluktuation dank der Ausdehnung des Universums nun viele Lichtjahre umfassen.
Easther betonte, es sei ein langer Weg, dass die Stringtheorie messbare Auswirkungen auf den Mikrowellenhintergrund haben könnte, indem sie das Muster von heißen und kalten Stellen subtil ändert. Die Stringtheorie ist jedoch so schwer experimentell zu testen, dass jede Chance einen Versuch wert ist. Nachfolger von WMAP wie CMBPol und die europäische Mission Planck werden die CMB mit beispielloser Genauigkeit messen.
Die Modifikationen des CMB, die sich aus der Stringtheorie ergeben, könnten um bis zu 1% von der Standardvorhersage für die Temperaturunterschiede im kosmischen Mikrowellenhintergrund abweichen. Es ist jedoch nicht ohne Präzedenzfall, eine kleine Abweichung von einer dominanten Theorie zu finden. Zum Beispiel unterschied sich die gemessene Umlaufbahn von Quecksilber um etwa siebzig Meilen pro Jahr von der Vorhersage des Isaac Newtonschen Gravitationsgesetzes. Die allgemeine Relativitätstheorie, Albert Einsteins Gravitationsgesetz, könnte die Diskrepanz erklären, die durch eine subtile Verzerrung der Raumzeit von der Schwerkraft der Sonne verursacht wird, die die Umlaufbahn von Merkur beschleunigt.
Weitere Informationen zum Treffen „Beyond Einstein“ finden Sie unter http://www-conf.slac.stanford.edu/einstein/.
Originalquelle: Pressemitteilung der Yale University
