Heute ist der 7.05.2026 und was sich da in der Welt der Physik abspielt, ist einfach unglaublich! Im Februar 2026 haben die Physiker Sotiris Mygdalas von der University of Waterloo und Latham Boyle von der University of Edinburgh eine spannende Idee vorgestellt: Sie glauben, dass die Raumzeit aus winzigen Bausteinen bestehen könnte, die ein aperiodisches Muster bilden. Das ist nicht nur irgendeine theoretische Spielerei, sondern könnte weitreichende Implikationen für unser Verständnis des Universums haben.
Aperiodische Strukturen sind geordnet, aber wiederholen sich nicht regelmäßig – ganz anders als die klassischen, periodischen Kristalle, die wir kennen. Mygdalas hat sich besonders mit den Penrose-Kacheln beschäftigt, die eine beeindruckende fünfzählige Symmetrie besitzen und es schaffen, eine Fläche lückenlos zu bedecken. Man kann sich das wie ein Puzzle vorstellen, bei dem die Teile zwar zusammenpassen, aber nie die gleiche Anordnung aufweisen. Diese aperiodischen Strukturen könnten auch in der Raumzeit existieren, die, wie wir wissen, aus drei Raum- und einer Zeitdimension besteht.
Die Rolle der Relativitätstheorie
Um ihre Hypothese zu untermauern, griffen die beiden Forscher auf Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zurück, die Raum und Zeit als miteinander verbundene Größen betrachtet. In einem Minkowski-Raum konstruierten sie tatsächlich einen Quasikristall mit Symmetrien, die für periodische Kristalle unmöglich sind. Das ist schon mal ein echter Knaller! Sie verwendeten die Cut-and-Project-Methode, um aperiodische Strukturen aus periodischen Kristallen zu erzeugen und erweiterten diese Methode auf Minkowski-Räume. So entstanden zwei Quasikristalle: einer in zwei Dimensionen und einer in vier Dimensionen.
Besonders der vierdimensionale Quasikristall könnte als Grundlage für eine Quantentheorie der Gravitation dienen. Das klingt zwar komplex, könnte aber entscheidend sein, um die Struktur des Universums zu verstehen. Und das Beste daran? Diese aperiodische Struktur bewahrt Teile der Lorentz-Symmetrie, was für die Entwicklung einer einheitlichen Theorie des Universums von Bedeutung sein könnte. Die Forscher spekulieren sogar, dass ihre aperiodischen Raumzeitstrukturen in der Stringtheorie Anwendung finden könnten, die ja bekanntlich von der Vorstellung ausgeht, dass die Raumzeit aus zehn Dimensionen besteht, die möglicherweise ringförmig kompaktifiziert sind.
Quasikristalle und ihre Eigenschaften
Erschreckend und faszinierend zugleich! Quasikristalle selbst, die eine geordnete, aber aperiodische Struktur haben, wurden 1982 von Daniel Shechtman entdeckt, der dafür sogar den Nobelpreis für Chemie 2011 erhielt. Der Begriff „Shechtmanit“ geht auf ihn zurück. Mathematische Beschreibungen dieser faszinierenden Strukturen wurden 1984 von Peter Kramer und Roberto Neri geliefert, während Paul Steinhardt und Dov Levine zur Strukturaufklärung beitrugen. Shechtman selbst entdeckte bei einer Aluminium-Mangan-Legierung (14% Mangan) eine ungewöhnliche Struktur, die eine Punktgruppensymmetrie m 3 5 aufweist.
Quasikristalle sind ein echtes Wunderwerk der Natur! Sie weisen fünf-, acht-, zehn- oder sogar zwölfzählige Symmetrien auf, während normale Kristalle nur ein-, zwei-, drei-, vier- und sechszählige Symmetrien zeigen. Diese besonderen Eigenschaften machen Quasikristalle zu einem spannenden Forschungsfeld. Sie haben scharfe Beugungspunkte, aber eben keine periodischen Strukturen. Die Penrose-Parkettierungen sind eng mit ihnen verbunden und können aus periodischen Mustern höherer Dimensionen abgeleitet werden.
Interessanterweise kommen Quasikristalle in vielen dreidimensionalen Legierungssystemen vor. Die meisten sind thermodynamisch instabil und entstehen durch schnelle Abkühlung, aber es gibt auch stabile quasikristalline Legierungen, meist ternär. Zwei bekannte natürliche quasikristalline Minerale, Ikosaedrit und Decagonit, wurden in Russland gefunden. Und 2021 wurde sogar ein Quasikristall in Trinitit entdeckt, der aus der ersten Atomexplosion stammt – das ist schon irgendwie verrückt!
Die physikalischen Eigenschaften von Quasikristallen sind ebenfalls bemerkenswert. Sie zeigen anomale Eigenschaften im Vergleich zu kristallinen Metallen, wie eine niedrige elektrische Leitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität. Pseudogaps in der elektronischen Zustandsdichte sind charakteristisch für Quasikristalle, die durch kovalente Bindungen in einem starren Netzwerk geprägt sind, was den elektronischen Transport beeinflusst. Die Forschung zu diesen faszinierenden Strukturen ist also noch ganz in vollem Gange!