Die Antwort auf die ewige Frage nach dem kleinsten Ding im Universum hat sich mit der Menschheit entwickelt. Einst dachten die Menschen, Sandkörner seien die Bausteine dessen, was wir um uns herum sehen. Dann wurde das Atom entdeckt, und man hielt es für unteilbar, bis es gespalten wurde und Protonen, Neutronen und Elektronen in seinem Inneren zum Vorschein kamen. Auch diese schienen fundamentale Teilchen zu sein, bevor die Wissenschaftler entdeckten, dass Protonen und Neutronen aus jeweils drei Quarks bestehen.
„Diesmal konnten wir überhaupt keine Beweise dafür finden, dass sich im Inneren der Quarks etwas befindet“, sagt der Physiker Andy Parker. „Haben wir die fundamentalste Schicht der Materie erreicht?“
Und selbst wenn Quarks und Elektronen unteilbar sind, so Parker, wissen die Wissenschaftler nicht, ob sie die kleinsten Teile der Materie sind, die es gibt, oder ob das Universum Objekte enthält, die noch winziger sind.
Parker, Professor für Hochenergiephysik an der englischen Universität Cambridge, war kürzlich Gastgeber eines Fernsehspecials auf dem britischen Sender BBC Two mit dem Titel „Horizon: How Small is the Universe?“
Fäden oder Punkte?
In Experimenten scheinen sich winzige, winzige Teilchen wie Quarks und Elektronen wie einzelne Punkte von Materie ohne räumliche Verteilung zu verhalten. Doch punktförmige Objekte verkomplizieren die Gesetze der Physik. Weil man einem Punkt unendlich nahe kommen kann, können die Kräfte, die auf ihn wirken, unendlich groß werden, und Wissenschaftler hassen Unendlichkeiten.
Eine Idee namens Superstringtheorie könnte dieses Problem lösen. Die Theorie postuliert, dass alle Teilchen, anstatt punktförmig zu sein, eigentlich kleine Schleifen aus Strings sind. Nichts kann unendlich nahe an eine Schleife des Strings herankommen, weil es immer etwas näher an einem Teil als an einem anderen sein wird. Dieses „Schlupfloch“ scheint einige dieser Probleme der Unendlichkeit zu lösen, was die Idee für Physiker attraktiv macht. Dennoch haben Wissenschaftler immer noch keinen experimentellen Beweis dafür, dass die Stringtheorie korrekt ist.
Eine andere Möglichkeit, das Punktproblem zu lösen, besteht darin, zu sagen, dass der Raum selbst nicht kontinuierlich und glatt ist, sondern tatsächlich aus diskreten Pixeln oder Körnern besteht, die manchmal als Raum-Zeit-Schaum bezeichnet werden. In diesem Fall könnten sich zwei Teilchen nicht unendlich nahe kommen, weil sie immer durch die minimale Größe eines Raumkorns getrennt sein müssten.
Eine Singularität
Ein weiterer Anwärter auf den Titel des kleinsten Dinges im Universum ist die Singularität im Zentrum eines Schwarzen Lochs. Schwarze Löcher entstehen, wenn sich die Materie auf so engem Raum verdichtet, dass die Schwerkraft die Oberhand gewinnt und die Materie immer weiter nach innen zieht und sich schließlich zu einem einzigen Punkt unendlicher Dichte verdichtet. Zumindest nach den aktuellen Gesetzen der Physik.
Die meisten Experten glauben jedoch nicht, dass schwarze Löcher wirklich unendlich dicht sind. Sie glauben, dass diese Unendlichkeit das Produkt eines inhärenten Konflikts zwischen zwei herrschenden Theorien ist – der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik – und dass, wenn eine Theorie der Quantengravitation formuliert werden kann, die wahre Natur der Schwarzen Löcher enthüllt werden wird.
„Meine Vermutung ist, dass sie um einiges kleiner sind als ein Quark, aber ich glaube nicht, dass sie von unendlicher Dichte sind“, sagte Parker gegenüber LiveScience. „Höchstwahrscheinlich sind sie vielleicht eine Million Millionen Mal oder sogar noch mehr kleiner als die Entfernungen, die wir bisher gesehen haben.“
Damit wären Singularitäten ungefähr so groß wie Superstrings, falls sie existieren.
Die Planck-Länge
Superstrings, Singularitäten und sogar Körner des Universums könnten sich alle als ungefähr so groß wie die „Planck-Länge“ herausstellen.
Eine Planck-Länge ist 1,6 x 10^-35 Meter (die Zahl 16 mit 34 vorangestellten Nullen und einem Dezimalpunkt) – eine unfassbar kleine Skala, die in verschiedenen Aspekten der Physik eine Rolle spielt.
Die Planck-Länge ist bei weitem zu klein für jedes Instrument, um sie zu messen, aber darüber hinaus soll sie die theoretische Grenze der kürzesten messbaren Länge darstellen. Nach der Unschärferelation sollte kein Instrument jemals in der Lage sein, etwas Kleineres zu messen, denn in diesem Bereich ist das Universum probabilistisch und unbestimmt.
Diese Skala gilt auch als Grenzlinie zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik.
„Sie entspricht der Entfernung, in der das Gravitationsfeld so stark ist, dass es anfängt, Dinge zu tun, wie Schwarze Löcher aus der Energie des Feldes zu machen“, so Parker. „Bei der Planck-Länge erwarten wir, dass die Quantengravitation übernimmt.“
Vielleicht sind alle kleinsten Dinge des Universums ungefähr so groß wie die Planck-Länge.
Diese Geschichte wurde von LiveScience, der Schwesterseite von SPACE.com, bereitgestellt. Folgen Sie Clara Moskowitz auf Twitter @ClaraMoskowitz oder LiveScience @livescience. Wir sind auch auf Facebook & Google+.
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