„You know I lose, you know I win / You know I call for the shape I’m in … / Although the answer is not unknown / I’m searchin’, searchin’ … / And the world on a string / Doesn’t mean a thing.” Als der kanadische Rocksänger Neil Young diese Verse erstmals 1973 auf einem Konzert in Los Angeles sang, konnte niemand ahnen, wie prophetisch sie waren. 30 Jahre später und nicht weit entfernt vom Ort des Debüts ließen Physiker die verschiedenen Akkorde der Stringwelten gegeneinander anklingen – und streiten sich seither um Sieg und Niederlage, um Ziel und Sinnlosigkeit ihrer neuen Modelle. So harmonisch wie in Neil Youngs Song „World on a String” geht es dabei allerdings nicht zu.
Den Grundton setzte Leonard Susskind von der Stanford University auf einer internationalen Konferenz im kalifornischen Davis. Nach seinem Vortrag bekamen viele Zuhörer lange Gesichter. Denn bis dahin galten die Stringtheorie und ihre Erweiterung, die M-Theorie, als eindeutig – mit definitiven Vorhersagen und Lösungen. Doch Susskind verkündete, dass die String-/M-Theorie die Existenz vieler anderer Universen erlaubt – oder vielleicht sogar erzwingt. Wenn es sie gibt, sind ihre physikalischen Eigenschaften sehr verschieden von denen unseres vertrauten Weltalls.
Susskinds Wort als einer der Väter der Stringtheorie hat Gewicht. Und sein Argument lässt sich schwer von der Hand weisen: Wenn die von der String-/M-Theorie postulierten zusätzlichen Raum-Dimensionen wirklich existieren, können sie auf ganz unterschiedliche Weise aufgerollt sein – es gibt keine bevorzugte „Wahl”. Das aber lässt auf ein Multiversum aller möglichen Naturgesetze schließen. Susskind spricht von der Stringlandschaft, kurz auch „Stringschaft” („stringscape”) oder einfach nur „Landschaft” genannt.
Und noch radikaler: Mit dem gut etablierten Szenario der Kosmischen Inflation haben Kosmologen ganz unabhängig von der Stringtheorie einen Mechanismus beschrieben, der alle diese Möglichkeiten zwingend Realität werden lässt. Er erklärt, wie sich Universen mit jeweils einem Urknall aus einem rasant expandierenden „falschen Vakuum” bilden – ähnlich wie Gasblasen aus einer kochenden Flüssigkeit – und ganz unterschiedliche Naturgesetze haben können (bild der wissenschaft 11/2005, „ Inflation der Universen”).
„Manche Leute sind geschockt von dieser Komplexität, und mehr noch von der Idee eines Multiversums, das von Blasenuniversen bevölkert ist, die die Landschaft füllen”, räumt Susskind ein. „ Andere finden die Idee aufregend, weil sie gut zu den kosmologischen Spekulationen über eine ewige Inflation und ein Selektionsprinzip passen. Gegenwärtig ist es zu früh, um zu entscheiden, wer Recht hat. Doch wenn sich das Multiversum-Konzept als korrekt herausstellt, wird dies ein riesiger Erfolg für die Stringtheorie sein.”
Wie viele naturgesetzlich verschiedene Universen in der Landschaft „herumliegen” können, ist unklar. Typische Schätzungen nennen wahrhaft astronomische Zahlen, etwa 10500 – eine 1 gefolgt von 500 Nullen.
Quantenfische und Multiversen
Derartige Spekulationen gab es schon in den 1980er-Jahren. Einer der ersten „Spekulanten” war Dieter Lüst. Kürzlich hat der Physik-Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität München – Cheforganisator der Strings2012- Konferenz dort im vergangenen Jahr – ein populärwissenschaftliches Buch über die Stringlandschaft veröffentlicht: „Quantenfische”. Darin veranschaulicht er die Landschaft durch viele benachbarte Tümpel, in denen ganz unterschiedliche Bedingungen herrschen können. Nur dort, wo bestimmte Eigenschaften zusammenkommen, leben beispielsweise Fische. Ein Fisch, der von all diesen Tümpeln wüsste, bräuchte sich also nicht zu wundern, dass sein eigener Teich bestimmte „lebensfreundliche” Eigenschaften besitzt. Andernfalls könnte er ja gar nicht existieren und über die Welt nachsinnen.
Diese – durchaus umstrittene – Argumentation wird als „ Anthropisches Prinzip” auch in der Kosmologie verwendet (bild der wissenschaft 8/2006, „Ist uns das All auf den Leib geschneidert?” ). Es soll beispielsweise verständlich machen, warum der Wert von Albert Einsteins ominöser Kosmologischen Konstante so klein ist, wie er aktuellen Messungen zufolge zu sein scheint. Wäre er größer, hätte sich der Weltraum seit dem Urknall so schnell ausgedehnt, dass sich keine Galaxien hätten bilden können. Wäre er Null, gäbe es vielleicht kleinere Galaxien als beobachtet, und Leben hätte sich seltener entwickeln können. Und wäre er negativ, dann wäre das Universum längst in einem Endknall zusammengestürzt und würde uns keine Rätsel mehr aufgeben.
Insofern macht die Hypothese von der Stringlandschaft aus der Not sogar eine Tugend: Wenn all diese zahllosen Universen existieren, die durch Raum und Zeit von unserem getrennt und somit selbst mit den besten Teleskopen nicht zu erspähen sind, dann könnten die meisten davon unwirtliche Eigenschaften haben. Aber zufällig sind eben auch welche darunter, die die Evolution von Leben ermöglichen – von Fischen bis zu Stringtheoretikern, die nach abenteuerlichen Erkenntnissen angeln.
Heftige Kritik
Viele Forscher – auch Stringtheoreti- ker – sind freilich überhaupt nicht begeistert von der Stringlandschaft. Wenn nämlich alle Möglichkeiten realisiert wären, könnte die Stringtheorie alles und somit nichts voraussagen und wäre dann prinzipiell nicht mit Experimenten oder astronomischen Messungen überprüfbar. Aus diesem Grund haben die Physiker Peter Woit von der Columbia University und Lee Smolin vom Perimeter Institute im kanadischen Waterloo die Stringtheorie und ihren wachsenden Einfluss in der Physik – auch an den Universitäten – heftig attackiert. In zwei geharnischten Büchern („Not Even Wrong” und „The Trouble With Physics”) erhoben sie sogar den Vorwurf, die Theorie wäre überhaupt keine seriöse Wissenschaft.
Auch Carlo Rovelli, der an der Universität Marseille über Quantengravitation forscht, ist ein hartnäckiger Skeptiker. „ Bislang scheiterte die Stringtheorie daran, unsere Welt so zu beschreiben, wie wir sie erfahren. Sie beschreibt dagegen viele andere Welten mit allen möglichen Sorten höherer Dimensionen in der Regel mit einer Kosmologischen Konstante, die das falsche Vorzeichen besitzt, mit mikroskopischen internen Räumen und so weiter”, schrieb Rovelli Anfang des Jahres in der Sonderausgabe „ Fourty Years of String Theory” der renommierten Zeitschrift Foundations of Physics. „Die Theorie hat bislang wenig konkrete Physik geliefert.” Nicht einmal das Partikelspektrum des Standardmodells der Elementarteilchen lässt sich aus der Stringtheorie errechnen.
„Gegenwärtig sind wir nicht in der Lage, zuverlässig überprüfbare Voraussagen aus der Stringtheorie abzuleiten”, räumt Gabriele Veneziano ein. „Aber das liegt nur an unserem derzeit unvollständigen Verständnis dieser komplizierten Theorie.” Der Großvater der Stringtheorie, mit dessen Arbeit 1968 alles begonnen hatte, warnt vor der Hybris, die mancher Kollege an den Tag lege. Aber die harschen Vorwürfe der Kritiker weist er ebenfalls zurück.
„Es wird oft gesagt, dass man für Tests so hohe Energien benötigen würde, wie sie kein von Menschen gebauter Teilchenbeschleuniger jemals erreichen kann. Aber das Universum selbst besaß kurz nach dem Urknall so hohe Energien und könnte einen Abdruck der Stringtheorie-Effekte bis heute bewahrt haben”, hofft Veneziano. Einige Kosmologen haben bereits damit begonnen, die Kosmische Hintergrundstrahlung nach solchen Effekten zu durchmustern. „Außerdem ist es nicht wahr, dass die Stringtheorie bloß eine Hochenergie-Domäne ist”, betont Veneziano. Er weist auf neue Felder hin, die es der Stringtheorie zufolge geben müsste, und die einen tiefgreifenden Einfluss auf Niederenergie-Phänomene hätten. „Sie würden sich beispielsweise bemerkbar machen durch Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz, durch eine Verletzung von Einsteins Äquivalenzprinzip oder durch räumliche oder zeitliche Variationen von Naturkonstanten.”
Überdimensionale Strings
Eine andere Möglichkeit für eine Bestätigung der Stringtheorie wäre, dass manche der räumlichen Extradimensionen nicht winzig klein sind. Ausmaße bis zu einer Größenordnung von Mikrometern lassen sich experimentell bislang nicht ausschließen – und sind mit Teilchenbeschleunigern wie dem LHC bei Genf vielleicht nachweisbar: Weil die Gravitation auf kleinen Skalen dann stärker wirken würde, könnten beispielsweise winzige Schwarze Löcher erzeugt werden. Sie müssten sich durch Quanteneffekte zwar sofort wieder in Strahlung auflösen, würden dadurch aber eine klar identifizierbare Signatur hinterlassen. Große Zusatzdimensionen wären, genau wie eine Entdeckung der Supersymmetrie, zwar noch kein zwangsläufiger Beweis für die Stringtheorie, da sie auch separat existieren könnten. Doch sie wären sehr wohl ein Plausibilitätsargument.
Sogar astronomische Beobachtungen könnten zu Hilfe kommen: So hat Edward Witten berechnet, dass vielleicht Kosmische Superstrings durchs Weltall schwirren. Diese riesigen massereichen Gebilde aus der Zeit kurz nach dem Urknall würden sich auf verschiedene Weise bemerkbar machen (bild der wissenschaft 9/2006, „Gefährliche Risse im Weltraum”). Sie könnten einen „Abdruck” in der Kosmischen Hintergrundstrahlung erzeugen oder durch ihre Schwerkraft das Licht ferner Galaxien „ verbiegen” (Gravitationslinsen-Effekt).
Kosmische Strings sind auch ein Beispiel für die rigorose und durchaus selbstkritische Arbeit der Theoretiker: Witten hatte nämlich ursprünglich argumentiert, dass die winzigen Strings niemals eine astronomische Dimension erreichen können – und musste durch genauere Berechnungen vor ein paar Jahren erkennen, dass dies nicht stimmt.
„Die Stringtheorie kann sehr wohl falsifiziert werden”, resümiert Juan Maldacena vom Institute for Advanced Study in Princeton. Damit widerspricht er den Pauschaleinwänden der Kritiker: „Schon eine Widerlegung der üblichen Quantenphysik würde genügen.” Denn diese ist eine Voraussetzung der Stringtheorie und gehört somit untrennbar zu ihr. Auch der hypothetische Charakter der Stringtheorie und -landschaft ist kein schlagender Einwand.
„Spekulationen sind eine notwendige Voraussetzung für den wissenschaftlichen Fortschritt – wenn sie keine fantastischen Höhenflüge sind, sondern eingeschränkt werden von der Zwangsjacke der mathematischen Konsistenz und Vereinbarkeit mit etablierten Naturgesetzen”, betont Michael Duff vom Imperial College in London, der wichtige Beiträge zur M-Theorie geleistet hat. „Das ist nicht vergleichbar mit Glaubensbekundungen zu Homöopathie, Ufos oder Religion. Was theoretische Spekulationen vom Glauben unterscheidet, ist, dass wir sie im Licht neuer Indizien und Entdeckungen modifizieren oder verwerfen können.” ■
von Rüdiger Vaas
