Warum hat unser Universum eigentlich genau drei Dimensionen?

Hoch, runter, vorwärts, rückwärts, links und rechts—unsere räumlichen Möglichkeiten sind relativ beschränkt. Diese Regel gilt nicht nur für das Leben auf der Erde, das gesamte Universum unterliegt den Gesetzen der Dreidimensionalität. Doch warum es gerade drei und nicht zwei, sieben oder 68 Dimensionen gibt, fragt sich die Wissenschaft schon seit dem antiken Griechenland. Nun scheint es Physikern vom National Polytechnic Institute in Mexiko und der Universität von Salamanca in Spanien gelungen zu sein, eine Antwort auf diese Frage nach der Entwicklung des Universums zu finden, die die Astrophysik schon lange beschäftigt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie nun in einem Paper.

Um die Ursache für unsere räumliche Beschränktheit zu finden, müssen wir jenen Zustand betrachten, der nur den Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall herrschte: In diesem Moment wäre es theoretisch auch möglich gewesen, dass eine andere Anzahl an Dimensionen entsteht, so die Physiker in ihrem Paper. Doch als dem Universum in seiner Evolution die erforderliche Energie ausging, die nötig gewesen wäre, weitere räumliche Möglichkeiten hervorzubringen, hatten sich gerade drei Dimensionen ausgebildet.

Als Erklärung dafür, dass sich unser Universum dreidimensional weiterentwickelte, bringen die Physiker die helmholtzsche freie Energie ins Spiel. Diese bezeichnet die Energie, die man benötigt, um ein System zu erschaffen, das im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung steht. Als das Universum nach dem Urknall begann, sich abzukühlen, hatte die freie Energie ihren Temperaturhöchstwert erreicht, in dem sich zufälligerweise gerade drei Dimensionen einzupendeln begannen. Die Argumentation der Wissenschaftler ist nun, dass das Universum in diesem Zustand quasi „eingefroren" wurde und die Entwicklung weiterer möglicher Dimensionen so unterbunden wurde.

„In dem Abkühlungsprozess des frühen Universums und nach dem Erreichen der ersten kritischen Temperatur könnte das Prinzip für die Steigung der Entropie in abgeschlossenen Systemen weitere Änderungen in der Dimensionalität verhindert haben", erklärt der Co-Autor der Studie Julian Gonzalez-Ayala das kosmische Verharren bei phys.org. Dass sich in der Folge keine weiteren Dimensionen entwickeln konnten, liegt auch in den Gesetzen der Thermodynamik begründet. Die ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik besagen unter anderem, dass ein System nichts bewerkstelligen kann, was mehr Energie benötigt als das System im Anfangszustand innehatte (es sei denn, es wird neue Energie hinzugefügt).

Wächst das System nun in seiner Größe, wie die Modelle über die Evolution unseres Universums nahelegen, befindet sich nun an den meisten Orten weniger Energie als im Ursprungszustand vorhanden war. Das bedeutet, das Universum konnte sich nicht in der Art weiter entwickeln, wie bisher, weil schlicht und einfach nicht mehr genug Energie vorhanden war.

Dennoch ist es laut den Forschern möglich, dass in den Sekundenbruchteilen nach dem Urknall, als das Universum Temperaturen von 1.032 Grad Celsius erreichte, noch weitere Dimensionen entstanden sein könnten. Diese finden vor allem in der String-Theorie Erwähnung und legen das Auftreten von Quanteneffekten in der sogenannten Planck-Ära (die Zeit unmittelbar nach dem Urknall) nahe. Die neuen Ergebnisse könnten nun helfen, eine Erklärung dafür zu finden, warum diese Dimensionen irgendwann in sich zusammengebrochen oder anderweitig verschwunden sind und der dreidimensionale Raum sich als besonders widerstandsfähig erwiesen hat.