Salamanca – Warum ist unser Universum dreidimensional und besitzt nicht etwa fünf- oder gar zwölf Dimensionen? Die Frage beschäftigt Philosophen und Wissenschafter bereits seit den Alten Griechen. Genau genommen spricht man von der vierdimensionalen Raumzeit, wobei die Zeit als vierte Dimension angenommen wird. Fest steht, dass diese zeitliche Dimension eng an den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gebunden ist: Zeit bewegt sich nur in eine Richtung, weil Entropie in einem geschlossenen System wie dem Universum nicht abnehmen kann.

Ein internationales Physikerteam kam nun in einer Studie zu dem Schluss, dass vermutlich die Anfangsbedingungen nach dem Urknall und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik dafür verantwortlich sind, dass wir in einem 3D-Kosmos leben.

Chaotische Kindheit

Die Abkühlungsphase des Universums begann im Moment seiner Geburt. Derzeit gültige Modelle gehen davon aus, dass der Kosmos nach rund 1 Sekunde eine Temperatur von 10 Milliarden Kelvin hatte. Protonen und Neutronen existierten zu diesem Zeitpunkt bereits; zehn Sekunden später betrug die Temperatur nur mehr ein Zehntel und die Fusion der Protonen und Neutronen zu Deuterium begann. In der Ära davor, nach dem Ende der 10⁻³⁰ Sekunden dauernden Inflationsphase, herrschte Chaos in Form eines 10²⁵ Kelvin heißen Quark-Gluonen-Plasmas.

Während dieser ersten Sekundenbruchteile war die Zahl der Raumzeitdimensionen noch nicht exakt festgelegt, stand aber im Zusammenhang mit der sogenannten helmholtzschen Energiedichte, einer Zustandsgröße eines thermodynamischen Systems. In dem Moment, wo diese Dichte einen signifikanten Maximumwert errechte, gefror der Kosmos gleichsam in seine vierdimensionalen Raumzeit, wie die Forscher um Julian Gonzalez-Ayala von der spanischen Universität von Salamanca errechnet haben.

Analog zu den Materiephasen

Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik schreibt demnach vor, dass mehr Dimensionen nur über diesem kritischen Dichtewert möglich sind, der wegen der Abkühlung des Universum aber nicht mehr erreicht werden konnte. So gesehen, schreiben die Wissenschafter im Fachjournal "Europhysics Letters" (EPL), ist die Zahl der Raumdimensionen eine Analogie zu den Phasen der Materie – flüssig, fest, gasförmig – die ebenso von der Temperatur abhängig sind.

"In dieser Abkühlungsphase des jungen Universums könnte also das Entropieprinzip in geschlossenen Systemen verhindert haben, dass der Kosmos noch mehr Dimensionen dazu bekam", erklärt Gonzalez-Ayala. Dass in den ersten Sekundenbruchteilen vor dem entscheidenden Maximalwert das Universum aus mehr als vier Dimensionen bestand, halten die Physiker allerdings für durchaus möglich. In einigen kosmologischen Modellen spielen Extradimensionen eine wichtige Rolle, allen voran die Stringtheorie. (red, 9.5.2016)