D-Brane

In Stringtheorien sind D-Branen (engl. D-branes [diːˈbɹeɪns]) eine spezielle Klasse von p-Branen. Das Kunstwort Brane kommt aus dem Englischen und ist abgeleitet von dem Wort „membrane“ (deutsch: Membran). Während der Begriff „membrane“ ein zweidimensionales Objekt bezeichnet, beschreibt „p-Brane“ ein Objekt der Dimension p. D-Branen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Enden offener Strings an ihnen ansetzen. Das Konzept stammt von Joseph Polchinski (1989).

Definition

D3-Brane mit gebundenen Strings

D-Branen (oder Dp-Branen) sind definiert als p-dimensionale Objekte, an die offene Strings koppeln, welche Dirichlet-Randbedingungen genügen. Die Dimensionszahl p gibt dabei die Anzahl der räumlichen Dimensionen an. Jede D-Brane besitzt zusätzlich noch eine Ausdehnung in zeitlicher Richtung. Man kann D-Branen auch als Spezialfälle bestimmter klassischer Konfigurationen („Solitonen“) interpretieren. Sie können unendlich ausgedehnt sein, aber auch ein endliches und sogar verschwindendes Volumen haben.

Variationen des Begriffs sind: D-Membrane (= D2-Brane), D-String (= D1-Brane; nicht zu verwechseln mit dem F-String, d.h. dem fundamentalen String), D-particle (= D0-Brane), D-Instanton (= D(-1)-Brane).

Herkunft

Zwei D-Branen, verbunden mit einem offenen String

D-Branen stellt man sich als niederdimensionale, dynamische Objekte eingebettet in einem sogenannten Bulk, einer höherdimensionalen Raumzeit bzw. Hyperraum , vor. Sie sind Bestandteil der Stringtheorie (siehe auch M-branes in M-Theorie). Da diese einen 10-dimensionalen Raum beschreibt, stellt sich die Frage, warum wir nur 3+1 Dimensionen (mit Zeit) wahrnehmen können. Als Erklärung bieten sich ebendiese Branen an.

Aus der Stringtheorie lässt sich ableiten, dass Teilchen durchaus auf einer Brane gefangen sein können. Auch Wechselwirkungen mit Teilchen im Bulk finden nur stark eingeschränkt statt. Wenn das uns bekannte Universum nun aus Teilchen besteht, die in einer Brane gefangen sind, können auch die Menschen dieses Universum nicht verlassen und sind auf den niederdimensionalen Raum beschränkt. Die Stringtheorie schafft aber auch die Möglichkeit, Teilchen zu beschreiben, die eingeschränkt mit den Teilchen in der Brane wechselwirken. Heute gilt etwa das Graviton als Kandidat für ein Teilchen, das im Bulk existiert und sich als Eichboson der Gravitation auf unser Universum auswirkt. Dies würde auch erklären, warum die Große vereinheitlichte Theorie bisher nur drei der vier physikalischen Grundkräfte einschließt.

Nach der Stringtheorie gibt es geschlossene, ringförmige eindimensionale Strings sowie auch solche Strings, deren Enden offen liegen. Offene Enden streben danach, sich an eine Brane zu "heften" und können nicht mehr beliebig die Dimensionen wechseln. Diese Eigenschaften führen zu der Vorstellung, dass unser Universum aus einer oder mehreren D3-Branen ("unseren" wahrnehmbaren 3 Raumdimensionen entsprechend) bestehen könnte. Die gebundenen Strings bilden demnach alle Elementarteilchen, z. B. Photonen, Elektronen, Quarks. Eine Ausnahme stellt das Graviton (Austauschteilchen, welches die Gravitation vermittelt) dar. Dieses besteht aus einem ringförmigen String und ist daher nicht an eine Brane gebunden. Dies würde erklären, warum die Gravitation im Verhältnis zu den anderen Grundkräften der Physik so schwach ist, da sich ihre Kraft auf mehrere Dimensionen verteilt, bedeutet aber auch Abweichungen vom derzeitigen Gravitationsgesetz.

Durch Quanteneffekte und gravitative Wechselwirkungen können D-Branen deformiert und zu Schwingungen angeregt werden. Eine befriedigende mathematische Behandlung dieses Phänomens existiert noch nicht. Es gibt Hinweise darauf, dass D-Branen instabil werden können und zerfallen. Ebenso sind einige stark deformierte (z. B. sphärische) D-Branen bekannt, die in gekrümmten Räumen auftreten können. Die Klassifizierung aller möglichen D-Branen ist ein offenes Problem, das von großer Bedeutung für das Verständnis der Stringtheorie und insbesondere ihrer Vakuum-Struktur ist.

Andere Überlegungen führen dazu, dass mehrere dieser Branen existieren und Paralleluniversen darstellen. Da sich Branen selbst beliebig im Raum bewegen können, könnten zwei Branen kollidieren. Dabei würde so viel Energie frei, wie sie nur beim Urknall vorstellbar ist. Hieraus leitet sich das ekpyrotische Universum ab, also die Vorstellung, dass auch unser Universum durch solch eine Kollision entstand.

Literatur

• Stefan Förste - Strings, Branes and Extra Dimensions, hep-th/0110055 (englisch)
• Clifford V. Johnson - D-Brane Primer, hep-th/0007170 (englisch)
• Lisa Randall - Verborgene Universen. Eine Reise in den extradimensionalen Raum, S. Fischer Verlag, Frankfurt a.M. 2006, ISBN 3-10-062805-5

Siehe auch

• Stringtheorie
• M-Theorie
• Lisa Randall