Emily Noether, ihr Geburtshaus steht in Erlangen, war die erste große deutsche Mathematikerin von Weltrang. Auf dem Weg ihrer akademischen Karriere war sie wüsten Beschimpfungen in einer von Männern dominierten Universitätswelt ausgesetzt. Aber sie hat sich mutig durchgesetzt. Sie bewies, daß jedem Erhaltungssatz eine Symmetrie zugrunde liegt und umgekehrt.

Ihr Beweis löste eine hektische Suche aus. Bewährte Erhaltungssätze sah man im neuen Licht. So versteckte sich hinter dem Energieerhaltungssatz die Symmetrie der physikalischen Gesetze bei der Zeittranslation und hinter dem Impulserhaltungssatz die Symmetrie bei der Orttranslation mit dem Ergebnis :
Die Naturgesetze gelten allzeit und allerorten.

Doch was steckte hinter dem schon lange bekannten Ladungserhaltungssatz ? Hier entdeckten die Physiker die lokale Eichsymmetrie, die vereinfacht besagt, daß die physikalischen Gesetze symmetrisch sind bei gleichzeitiger Vertauschung der negativen und positiven Ladungen.

Die lokale Eichsymmetrie entwickelte sich dann später zu einem wertvollen Instrument zum Verständnis der schwachen und starken Wechselwirkung.

Noch wichtiger als die erhaltenen Symmetrien sind die gebrochenen Symmetrien.

Für Richard Feynman, der sich auch um die Entwicklung der Quantenelektrodynamik verdient gemacht hat und hierzu die Pfadintegralmethode entwickelte, sind Antiteilchen Teilchen, die in der Zeit zurücklaufen. Wenn im Lauf der Zeit immer mehr Materie und immer weniger Antimaterie entstehen soll, dann muß die Zeitsymmetrie gebrochen sein.

Die Symmetriebrechung der Zeit bei der Ausbreitung des Lichts beschäftigte Feynman, der die Untersuchungen bei der Challenger-Katastrophe leitete, bis an sein Lebensende. Für ihn war es eines der größten Rätsel, warum Licht sich nur von der Quelle zur Senke ausbreitet und die Lichtwellen nie zur Quelle zurücklaufen, obwohl die zeitsymmetrischen Maxwellschen Gleichungen das nicht verbieten.

Die Maxwellschen Gleichungen sind in der isothermen vierdimensionalen Raumzeit formuliert und berücksichtigen nicht die Thermodynamik. Ein Lichtstrahl läuft immer von der wärmeren Quelle zu kühleren Senke. Ein Zurücklaufen verbieten die Gesetze der Thermodynamik. Licht bewegt sich sich auch längs eines Temperaturgradienten in einer 5. Dimension.

Ein Meilenstein in der Geschichte der modernen Physik war die Entwicklung des kosmologischen Standardmodells und seine Verschmelzung mit dem Standardmodell der Elementarteilchen.
Nach diesem Modell beginnt die kosmologische Evolution bei der Planckzeit und bei der Plancktemperatur mit dem kosmischen Ei von der Größe der Plancklänge . Das Universum hatte damals eine nahezu unendliche Raumzeit-Krümmung. Das Universum dehnte sich dann aus und kühlte sich dabei ab. Aus einer anfänglichen Quark-Antiquark und Leptonen-Antileptonen Suppe entstanden " In den ersten 3 Minuten " nach Steven Weinberg Protonen und Eletronen im Hadronen- und Leptonen-Grundzustand. Nach 100 000 Jahren war das Plasma dann soweit abgekühlt, dass die Protonen die Elektronen einfangen und Wasserstogffatome gebildet haben. Seit dieser Zeit ist das Weltall für die elektromagnetische Strahlung durchlässig.

Die bisher ältesten Lichtquellen sind 1998 entdeckte Quasare. Ihr Licht war 12 Milliarden Jahre unterwegs, bis es von unseren Meßapparaturen eingefangen wurde. Es durcheilte dabei einen gewaltigen Temperaturgradienten in der 5. Dimension. Es kommt aus einem Universum einer anderen Raumzeitkrümmung.

Prof. Atkins von der Universität Cambridge setzt die absolute Temperatur mit einer imaginären Zeit im mathematischen Sinne gleich und verweist dabei auch auf den gleichen Wortstamm von Temperatur und tempus (= Zeit). Die Zeit hat sich anfangs der Mensch geschaffen, um sich im Wechsel der Jahreszeiten und in seinem gesellschaftlichen Umfeld zurechtzufinden und zu überleben. Im Lauf der Menschheitsgeschichte ist der Zeitbegriff immer mehr verfeinert worden, angefangen von den Jahreszeiten des Altertums bis zur Nanosekunde unserer Tage.

Die 6 Dimensionen des Ladungsraums sind im allgemeinen kompaktifiziert. So ist z.B. die Farbladung im Bereich des Atomkerndurchmessers eingeschlossen. Die elektrische Ladung war bis zum Zeitalter der Industrialisierung auf die Größenordnung der Moleküldimensionen beschränkt. Erst mit dem Beginn der großtechnischen Nutzung der elektrischen Energie vor 150 Jahren
gelang es, die elektrische Ladung aus dem Gefängnis zu befreien und eine Ladungstrennung herbeizuführen, die sich inzwischen über die ganze Erde ausbreitet . Diese Entkompaktifizierung der elektrischen Ladungsdimension ist die Basis des Wohlstands der Industrialisierten Länder.

Doch nach den heutigen Erkenntnisses reicht die bislang bekannte CP-Verletzung nicht aus, um das Verschwinden der Antimaterie zu erklären. Schon wird auf eine 4. Quark-Leptonen-Familie spekuliert, obwohl am CERN aufgrund des Zerfallskanäle der Z-Bosonen nachgewiesen wurde , daß es nur 3 Familien gibt. Aber der kürzlich erfolgte Nachweis von Neutrinoszillationen, die Massen der Neutrinos voraussetzen, gibt diesen Spekulationen neue Nahrung.

Nach der Massenformel liegt die Masse des 4. geladenen Leptons bei 26,2 GeV. Diese Masse liegt im Bereich heutiger Beschleuniger, während die kleinsten Massen der Supersymmetrie und der M-Theorie weit außerhalb dieses Bereichs liegen. Vermutlich hat bis jetzt niemand nach dem superschweren Elektron gesucht oder es gibt es einfach nicht !

Die neue Betrachtungsweise, die Fermionen mit einer 6-dimensionalen Ladungs-Substruktur darzustellen , hat gegenüber der üblichen Lehrbuchdarstellung - die Spins und die Antiteilchen werden dort weggelassen - folgende Vorteile :

Es gibt für jedes der 126 Quarks und Leptonen eine einfache 6-stellige Zahlenreihe, die alle Fermionen eindeutig definiert.

Untereinander geschrieben, sind die Ladungserhaltungssätze sofort erkennbar . Baryonen und Mesonen können so leicht gebildet und zugeordnet, und ihr Zerfall leicht abgeleitet werden.

Die im üblichen Standardmodell verborgenen Symmetrien und Dimensionen kommen zum Vorschein.

Quarks und Leptonen erhalten ein Substruktur, ohne daß neue Teilchen und Kräfte unter Beachtung der Unschärferelation eingeführt werden müssen.

Quarks und Leptonen erscheinen als ein Ur-Teilchen in einem 6-dimensionalen Raum.

Für die CP-Verletzung benötigt die Natur die Quarkflavourmischung von mindestens 3 Quarkfamilien. So verwandelt sich beim neutralen Kaon-Zerfall das d-anti-s -Meson über die Quarkflavourmischung in ein anti-d-s-Meson. Da das s-Quark schwerer ist als das d-Quark entsteht ein Überschuß von Materie gegenüber Antimaterie. Die Zeit wird irreversibel.
Die Asymmetrie beim Kaonzerfall liegt bei 1: 4 10^6 und wäre viel zu wenig, um das Verschwinden der Antimaterie zu erklären.
Aus der B-Mesonen-Fabrik am Fermilab liegen die ersten Ergebnisse vom Zerfall des B-Mesons vor, die sehr ermutigend sind : Die Asymmetrie ist bei 15 % .

Auch auf der Ebene der Elementarteilchen ist die Zeitsymmetrie gebrochen. Durch Experimente in den letzten 50 Jahren wurde die Verletzung der Zeitsymmetrie bestätigt.
Die erste Symmetrieverletzung, die Verletzung der Spiegelsymmetrie (Parität) beim Beta-Zerfall, war eine Katastrophe für die damaligen Physiker. Nach diesem Schlag entwickelte sich die dann 1974 entdeckte kombinierte Verletzung der Ladungs- und Spiegelsymmetrie (CP-Verletzung) beim Zerfall des neutralen Kaons langsam zu einem Segen für die Physik. Eine CP-Verletzung hat einem wichtigen Theorem der Physik, dem CPT-Theorem, zur Folge, daß auch die Zeitsymmetrie verletzt sein muß. Das CPT-Theorem ist einer der wesentlichen Stützpfeiler der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Das Standardmodell der Elementarteilchen und die Allgemeine Relativitätstheorie sind in der vierdimensionalen Raumzeit definiert. Die einzige Theorie, die den Widerspruch zwischen den beiden Theorien, zwischen der Welt des ganz Kleinen und der Welt des ganz Großen, überwinden kann ist die M-Theorie. Sie ist 1996 aus den fünf Superstringtheorien hervorgegangen.
Sie ist in 11 Dimensionen formuliert und vermeidet die mathematischen Unendlichkeiten. Die M-Theorie geht nicht vom mathematischen Punkt aus, sondern von schwingenden flächigen Membranen, den b-branes. Quarks und Leptonen wären demnach Membranen, die in 11 Dimensionen schwingen.
Die M-Theorie ist eine viele Physiker faszinierende mathematische Theorie höchster Symmetrie, für die noch aufwendige mathematische Näherungsmethoden entwickelt werden müssen. Eine Verbindung zum in der experimentellen Praxis hervorragend funktionierenden Standardmodell ist bisher nicht zu erkennen.
Doch dem Ideal des nicht weiter teilbaren Urteilchens ist man mit der M-Theorie einen großen Schritt weitergekommen. Wie kann ein Urteilchen, das in 11 Dimensionen schwingt , die 61 unterscheidbaren Teilchen des Standardmodells - mit Berücksichtigung des Spins und der Antiteilchen wären es noch viel mehr - abbilden ?

Im Standardmodell hat jedes Quark eine Substruktur, bestehend aus 6 Ladungen:

1.- Spinladung
2. - Schwache Ladung
3. - Elektrische Ladung
4. - Farbladung
5. - Schwere Ladung
6. - Baryonen- / Leptonenladung

Diese Ladungen können einem 6-dimensionalen Ladungsraum zugeordnet werden. Jedes Quark kann durch 6 Ladungszahlen eindeutig definiert werden.
Damit vergleichbar ist die Nomenklatur der Atomkerne. Hier gibt es einen 2-dimensionalen Raum. Jeder der über 100 Atomkerne kann in diesem Isospinraum durch 2 Zahlen eindeutig bestimmt werden.

Bei der Vorstellung von mehr als 3 Dimensionen tun sich die Menschen im allgemeinen schwer. Mathematiker denken in Variablen. Für sie stellen 100 Dimensionen kein Problem in ihrer Vorstellung dar.

Ein Beispiel für die Veranschaulichung innerer Dimensionen liefert der Farbfernseher. Von der Ferne aus gesehen, besteht die Bildschirmfläche aus einzelnen Farbpunkten. Von der Nähe aus gesehen, besteht der Bildpunkt aus den 3 Farbpunkten rot, grün und blau. Im Prinzip könnte der Farbpunkt auch von 6 unabhängigen Farbkanälen angesteuert werden. 6 unabhängige Farbladungen sind gewissermaßen kompaktifiziert und ergeben einen definierten Gesamteindruck.

Beispiel :

Das Elektron mit seiner negativen Elementarteilchen hat einer ganzen Industrie seinen Namen gegeben - der Elektronik. Elektronische Bauelemente und Geräte haben in den letzten Jahren 100 Jahren seit der Entdeckung des Elektrons unsere Alltagswelt revolutioniert. Mit der Entwicklung der Elektronenröhre begann der Siegeszug des Rundfunks in den 20-iger Jahren des letzten Jahrhunderts . 1936 bauten dann deutsche Techniker das erste funktionierende Fernsehgerät. In der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts lernte man dann, in halbleitenden Materialien die Elektronenströme gezielt zu steuern und es entstanden die Transistoren und die Speicherelemente, die die Computerrevolution auslösten. Im Vordergrund stand immer wieder die Nutzung der elektrischen Ladung des Elektrons.

Die vorhandene Spinladung des Elektrons und den damit verbundenen zusätzlichen Freiheitsgrad beginnt man erst jetzt zu nutzen in der Magnetoelektronik, die am Anfang steht und ein enormes Marktpotential hat.
Magnetoelektronische Bauelemente können mit geringerer Energie trägheitslos durch polarisiertes Licht gesteuert werden. Es entstehen neue optoeletronische Schalter und Speicher , die nicht mehr ständig aufgefrischt werden müssen.

Die Technik wird die Spinladung nutzen, die die Natur schon vor 4 Milliarden Jahren verwertet hat mit den optisch aktiven Kohlenstoffatomen der lebenden Materie. Die linksdrehenden Aminosäuren, die sich zu den Proteinen verketten und die rechtsdrehenden verketteten Zuckermoleküle, die das Rückgrat der DNS bilden, basieren u.a. auf Spinladungen . Linksdrehende und rechtsdrehende biologische Makromoleküle sind die Bausteine der lebenden Zelle und bilden wie die aufgedrehten Schnüre in einem Gummimotor das Potential für die Dynamik des Lebens.