Stringtheorie Auf der Suche nach den verborgenen Universen

Von Cliff Burgess und Fernando Quevedo

3. Teil: Stringtheorie erlaubt konkrete Modelle für die kosmische Inflation


Binnen nur zweier Jahre änderte sich diese Situation aber ganz erheblich. 2003 entwickelten Shamit Kachru, Renata Kallosh und Andrej Linde von der Stanford-Universität und Sandip Trivedi vom Tata-Institut für Grundlagenforschung im indischen Mumbai einen neuen Formalismus. Dieses nach den Anfangsbuchstaben ihrer Nachnamen als KKLT-Formalismus bezeichnete Modell beschreibt Umstände, unter denen die Geometrie der Extradimensionen vergleichsweise starr und unflexibel ist, sich also nur wenig verändert, wenn sich Objekte darin umherbewegen. Es sagt eine riesige Anzahl möglicher Konfigurationen der Extradimensionen voraus, die Extradimensionen könnten also in je unterschiedlicher Art und Weise aufgerollt sein. Und jede dieser Konfigurationen entspricht einem möglichen Universum. Vielleicht haben wir es bei dieser StringtheorieLandschaft, wie die Theoretiker sagen, sogar mit einer Unzahl tatsächlicher Universen zu tun, von denen jedes eine kleine Fassette des Multiversums darstellt.

Im Rahmen des KKLT-Szenarios kann Inflation auf mindestens zwei verschiedene Arten stattfinden. Zum einen lässt sie sich als - durch die Gravitation vermittelte - Reaktion der Extradimensionen auf die Bewegung eines Bran-Antibran-Paars beschreiben. Die Geometrie der Extradimensionen kann recht ungewöhnliche Formen annehmen, ähnlich einem Kraken mit vielen röhrenartigen Armen. Die Bewegung einer Bran durch einen solchen Arm schwächt die Anziehung zwischen Bran und Antibran ab. Diese Abschwächung löst möglicherweise das Hauptproblem unseres ursprünglichen Ansatzes. Die geringere Anziehungskraft erlaubt nun langsamere Veränderungen ? langsam genug, um tatsächlich eine Inflationsphase auslösen zu können.

Zum anderen könnte die Inflation direkt durch Veränderungen in der Geometrie der Extradimensionen angetrieben werden. An diesem Prozess müssten nicht einmal bewegte Branen beteiligt sein. Ein erstes String-Inflationsszenario, das auf diese Weise funktioniert, stellten wir gemeinsam mit unseren Kollegen vor zwei Jahren vor. Bei Szenarien dieser Art spricht man auch von ModuliInflation, da die Inflatonen in diesem Fall die Moduli-Felder sind, die die Geometrie der Extradimensionen beschreiben. Während die zusätzlichen Dimensionen ihre derzeitige Konfiguration einnehmen, erfahren die üblichen drei Dimensionen eine beschleunigte Expansion; das Universum formt sich sozusagen selbst. Der Moduli-Inflation gelingt es also auch, eine Verbindung zwischen der Größe der sichtbaren Dimensionen und der Größe und Form der zusätzlichen unsichtbaren Dimensionen herzustellen.

Das Schöne an solchen Theorien ist, dass String-Inflationsmodelle, anders als viele andere stringtheoretische Ansätze, möglicherweise schon in naher Zukunft anhand von Beobachtungen überprüft werden können. Bereits seit Längerem nehmen Kosmologen an, dass während der Inflationsphase Gravitationswellen entstanden, also wellenartige Verzerrungen von Raum und Zeit. Aktuelle String-Inflationsmodelle sagen aber so schwache Gravitationswellen voraus, dass selbst die heute in Planung befindlichen Detektoren sie nicht werden messen können. Darum ist die Planck-Mission für die Zukunft dieser Modelle entscheidend. Der Satellit besitzt die bislang empfindlichsten Detektoren für Gravitationswellen aus der Frühzeit des Universums. Solche Gravitationswellen nämlich prägen der kosmischen Hintergrundstrahlung, für deren hochpräzise Untersuchung Planck entworfen wurde, ein schwaches Muster auf. Weist Planck das Phänomen tatsächlich nach, wirft dies alle bisher vorgeschlagenen String-Inflationsmodelle aus dem Rennen.

String von gigantischer Länge

Eine weitere Vorhersage einiger Bran-Inflationsmodelle sind kosmische Strings. Solche großen lang gestreckten Strukturen treten als typische Nebenprodukte der gegenseitigen Vernichtung von Branen und Antibranen auf. Es könnte sich dabei um D1-Branen handeln oder auch um fundamentale Strings, die zu gigantischer Länge gedehnt wurden - oder um eine Kombination von beiden. Existieren sie tatsächlich, verzerren sie das Licht ferner Galaxien, bevor es auf der Erde eintrifft. Astronomen könnten diesen Effekt nachweisen.

Trotz solcher Fortschritte der Theorie bleibt eine Reihe von Fragen unbeantwortet. Noch ist zum Beispiel nicht abschließend geklärt, ob es tatsächlich eine Inflationsphase gab. Sollten genauere Beobachtungen eines Tages Zweifel daran wecken, werden sich die Kosmologen alternativen Szenarien für das frühe Universum zuwenden müssen. Vor dem Hintergrund der Stringtheorie wurden darum bereits einige Alternativen entwickelt, denen zufolge unser Universum bereits vor dem Urknall existierte ? vielleicht als Teil eines ewigen Zyklus von Erschaffung und Vernichtung (siehe "Die Zeit vor dem Urknall" von Gabriele Veneziano, "Spektrum der Wissenschaft" 8/2004, S. 30). Die Herausforderung solcher Modelle wäre insbesondere, den Moment des Übergangs zwischen einem sterbenden und einem entstehenden Universum zu beschreiben, der an die Stelle des Urknalls träte.

Doch derzeit erzielt die Stringtheorie äußerst ermutigende Fortschritte. Als erste Theorie erlaubt sie Physikern, konkrete Modelle für die kosmische Inflation zu entwickeln, ohne dass sie willkürliche Annahmen treffen müssen - gleich, ob sie von zusammenstoßenden Branen oder sich verformenden Extradimensionen ausgehen. Ursprünglich war sie unseren Versuchen zu verdanken, die Welt auf winzigsten Größenskalen zu verstehen - nun aber erheben wir unsere Blicke und fahnden am Nachthimmel nach ihren verräterischen Spuren.



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