Kann die ungelöste Stringtheorie das Blatt wenden und das Universum vor dem Zusammenbruch retten?

Kann die Stringtheorie das Universum vor einem verheerenden Phasenübergang retten?

Können von der Stringtheorie inspirierte Ideen das Universum vor dem Zusammenbruch retten?

(Bildnachweis: Pasheka, Getty Images)

Unser Universum könnte grundsätzlich instabil sein. Innerhalb eines Sekundenbruchteils könnte das Vakuum der Raumzeit einen neuen Grundzustand erreichen und damit eine katastrophale Veränderung in der Physik des Universums auslösen.

Oder vielleicht legen neue, von der Stringtheorie inspirierte Ideen nahe, dass unser Universum stabiler sein könnte, als wir bisher dachten.

Zerbrochenes Universum

In den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall durchlief das Universum eine Reihe dramatischer Phasenübergänge. Die vier Naturkräfte – Elektromagnetismus, Schwerkraft sowie die starke und schwache Kernkraft – waren einst zu einer Kraft vereint. Die Physiker kennen weder die Eigenschaften noch die Natur dieser Kraft, aber sie wissen, dass sie nicht lange anhalten wird.

Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, war die Schwerkraft die erste, die sich von den anderen drei trennte. Dann erlangte die starke Atomkraft ihre Unabhängigkeit. Die letzten beiden Kräfte, die sich aufspalteten, waren die elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft. Diese endgültige Trennung ist tatsächlich experimentell erreichbar: In unseren größten Teilchenbeschleunigern können wir die Bedingungen des frühen Universums nachbilden und (kurzzeitig) die Energie gewinnen, die zur Neuorganisation der beiden Kräfte erforderlich ist.

Von da an war alles stabil. Die vier Naturkräfte sind noch immer in ihrem ursprünglichen Zustand. Elementarteilchen verbinden sich zu Kernen, Atomen und Molekülen. Schließlich werden Sterne geboren und Planeten erheben sich aus der Asche. Verglichen mit den ersten Mikrosekunden des Urknalls waren die letzten 13,8 Milliarden Jahre langweilig.

Vielzahl von Änderungen

Doch die scheinbare Stabilität des Universums könnte eine Illusion sein, die uns durch seine lange Existenz in die Wiege gelegt wurde. Tatsächlich veränderte jeder Phasenübergang im frühen Universum die Natur der Realität vollständig, löschte die alte Ordnung aus und ersetzte sie durch neue Kräfte und neue Teilchen.

Wissenschaftler können die Stabilität des aktuellen Vakuums in der Raumzeit beurteilen, indem sie die Masse des Higgs-Bosons messen. Das Higgs-Boson durchdringt den gesamten Raum und die gesamte Zeit und spielt eine sehr wichtige Rolle. Sie verleiht nicht nur vielen Elementarteilchen Masse, sondern fungiert auch als Keil zwischen der schwachen Kernkraft und der elektromagnetischen Kraft. Mit anderen Worten: Im frühen, heißen und dichten Universum lauerte das schwache Higgs-Teilchen im Hintergrund und ermöglichte die Verbindung der beiden Kräfte. Doch als das Universum abkühlte, verstärkte sich das Higgs-Teilchen und trennte die beiden. (Die Mechanismen, die die anderen Naturkräfte auseinander ziehen, sind ein fortlaufendes Forschungsgebiet der modernen Physik.)

Offensichtlich ist das Universum nicht instabil; Andernfalls wäre der Übergang in eine neue Ära längst erfolgt. Doch anhand der Masse des Higgs-Teilchens können wir feststellen, ob das Universum vollkommen stabil oder lediglich metastabil ist – das heißt, es ist vorübergehend stabil, bis etwas eine zufällige Phasenänderung verursacht.

Aktuelle Messungen der Higgs-Masse legen nahe, dass wir Recht hatten: Das Universum scheint metastabil zu sein und könnte jederzeit in eine neue Phase eintreten.

Den Phasenübergang vom Raum-Zeit-Vakuum in einen neuen Grundzustand als katastrophal zu bezeichnen, wäre eine Untertreibung. An einem zufälligen Punkt kann eine zufällige Quantenfluktuation einen Phasenübergang auslösen. Von dort aus breitet es sich wie eine sich ausdehnende Seifenblase aus. Außerhalb der Blase würden das Leben und das Universum wie gewohnt weitergehen. Doch innerhalb der Blase entstehen völlig neue physikalische Gesetze.

Da unsere gesamte Existenz von der Stabilität der Naturgesetze abhängt – der Anordnung der Kräfte und der Anzahl der bekannten Teilchen – wären wir, wenn uns ein Phasenübergang hinwegfegen würde, … verschwunden.

Kombination mit der Stringtheorie

unsicher. Schließlich handelt es sich hier alles um höchst spekulative Physik. Ein neuer Artikel, der kürzlich in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht wurde, zeichnet ein optimistischeres Bild.

Unser Wissen über Physik ist unvollständig. Die Kombination mit dem Higgs-Teilchen zeigt uns, wie die elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft verschmelzen. Allerdings fehlt uns bislang eine konsistente, kohärente Theorie darüber, wie die starke Kernkraft mit den anderen Kernkräften zusammenhängt. Eine völlig einheitliche Kraft, die die Schwerkraft in einer vollständigen Quantenbeschreibung der Natur einschließt, übersteigt unser Vorstellungsvermögen.

Die Stringtheorie ist jedoch ein Versuch, alle Kräfte in einem einzigen Rahmen zu vereinen. In der Stringtheorie werden die Elementarteilchen unserer Existenz als Ansammlungen winziger vibrierender Saiten betrachtet.

Auch wenn die Stringtheorie noch nicht vollständig ist (und manche glauben, dass sie es auch nie sein wird), ermöglicht sie es Forschern doch, Werkzeuge für die Untersuchung heikler Probleme zu entwickeln, wie etwa der Physik von Phasenübergängen, die das Ende des Universums bedeuten könnten.

Die Autoren des neuen Artikels untersuchten eine Version der Stringtheorie, die nichtlokale Effekte einschließt. Das bedeutet, dass Strings in einem Bereich des Raums scheinbar unmittelbar Einfluss auf Strings in einem anderen Teil des Raums haben, obwohl sie weit voneinander entfernt sind. (Wenn Ihnen das wie eine radikale Idee erscheint, ist sie gar nicht so weit hergeholt: Auch die Quantenverschränkung ist ein nichtlokales Phänomen.)

Die Forscher stellten fest, dass bei dieser Version der Stringtheorie nichtlokale Effekte dazu neigen, die Blasenwände abzuflachen, wenn sich die Blase ausdehnt. In manchen Fällen werden die Blasenwände so weit gedehnt, dass sie sich vollständig auflösen. Das bedeutet, dass, wenn unsere Realität tatsächlich metastabil ist und zufällige Phasenübergänge durchläuft, die grundlegenden Gesetze der Stringphysik des Universums verhindern würden, dass der Phasenübergang das gesamte Universum verschlingt; die Blase würde platzen, bevor sie eine Chance hätte, sich über mikroskopische Größen hinaus auszudehnen.

Dies ist zwar immer noch eine sehr spekulative Denkweise, aber sie kann uns zumindest ein gewisses Maß an Trost spenden, während wir weiterhin daran arbeiten, die grundlegenden Vorgänge im Universum zu verstehen.

VON: Paul Sutter

FY: zexiblingblingbra

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