Seine Augen funkeln hellwach hinter den ultradicken Gläsern der schwarzen Hornbrille. Und seine Begeisterung ist ansteckend – obwohl sich manche fragen, was sie von Objekten halten sollen, über deren Existenz nur auf der Basis einer Theorie spekuliert werden kann, die selbst spekulativ ist. Dass Ashoke Sen keinen Hokuspokus veranstaltet, obwohl manches nach Zauberei klingt, beweist der Rahmen seines Vortrags:
TH-2002 im UNESCO-Gebäude von Paris. TH steht für „ Theoretische Physik”, und die hochkarätige internationale Konferenz letztes Jahr – die vierte seit 1953 – hatte kein geringeres Ziel, als einen Überblick über die wichtigsten gegenwärtigen Forschungszweige zu geben. Und Ashoke Sen, Professor am Harish-Chandra-Forschungsinstitut im indischen Allahabad, war eingeladen worden, um über Tachyonen und die Stringtheorie zu sprechen. Dass die Wahl auf ihn fiel, war kein Zufall, denn von den über 300 Tachyonen-Fachveröffentlichungen des letzten Jahrzehnts stammen einige der wichtigsten Artikel von ihm.
„Ein String, der auf einer D-Bran endet, kann in vielen unterschiedlichen Zuständen sein. Einige der Zustände offener Strings, die auf instabilen D-Branen leben, entsprechen Tachyonen” , sagt Sen. Alles klar? Wenn nicht, dann noch einmal etwas ausführlicher: Die Stringtheorie gilt bei vielen Physikern als aussichtsreichster Kandidat für eine „Weltformel” oder „Theorie von Allem” – das heißt eine Theorie aller Teilchen und Kräfte im Universum. In ihr sind die Elementarteilchen nicht punktförmig, sondern Anregungsformen eindimensionaler Fäden („Strings”) oder mehrdimensionaler Membranen („Branen”). Strings kann man sich als schwingende Saiten vorstellen, die geschlossen (kreisförmig) oder offen sind. Branen lassen sich im einfachsten Fall mit – eventuell sogar unendlich großen – Leintüchern vergleichen, die in höherdimensionalen Räumen hängen und extrem dünn sind (10-33 Zentimeter). Unser ganzes Universum könnte eine solche Bran sein (bild der wissenschaft 5/2002, „Ewige Wiederkehr”). Offene Strings in solchen Branen entsprechen den Teilchen. Geschlossene Strings können sich auch zwischen den Branen ausbreiten – und das ist bei der Schwerkraft der Fall, so besagt zumindest eine weit verbreitete Auffassung der Stringtheoretiker (siehe Grafik auf Seite 62). „Tachyonen und gewöhnliche Materie existieren als offene Strings in der Bran”, sagt Sen. Sie können – ähnlich Bartstoppeln – auch etwas in den höherdimensionalen Raum hineinragen. „Die Wahrscheinlichkeit, dass sie auf eine andere Bran springen, ist aber extrem gering.”
Sen grenzt seine Forschungsrichtung von den klassischen Tachyonen ab: „In der Stringtheorie sind Tachyonen nicht überlichtschnelle Partikel mit imaginärer Masse, sondern bedeuten eine instabile Konfiguration, die zerfallen wird. In diesem Sinn sind Tachyonen keine exotischen Partikel.”
Lev Kofman, Physik-Professor an der University of Toronto in Kanada, erläutert: „In der String-Kosmologie sind Tachyonen eine Form von Energie. Es wäre nicht richtig, sie sich als Teilchen vorzustellen.” Historisch betrachtet leitet sich das Verständnis der instabilen Konfigurationen jedoch von den klassischen Tachyonen ab. „Tachyonen-Instabilität bezeichnet in der Quantenfeldtheorie und anderen Theorien die Instabilität eines Systems mit negativer Krümmung des effektiven Potenzials.”
Das klingt kompliziert, lässt sich aber ganz einfach veranschaulichen: Positive Krümmung entspricht einem U-förmigen Potenzial. Stellt man sich das als Gefäß vor, kommt eine eingeworfene Kugel am tiefsten Punkt an, dem Boden, und oszilliert dort. Das ist eine stabile Konfiguration. Dreht man das Gefäß um und legt die Kugel auf den höchsten Punkt, rollt sie sofort herunter. Dieser „Hügel” hat nämlich eine negative Krümmung, die Konfiguration ist instabil. Dazu sagen Physiker „ tachyonischer Zustand”.
Fällt das Potenzial unendlich ab, ist etwas faul. Entweder ist die Theorie inkonsistent oder man studiert sie auf die falsche Weise. „Dann wenden wir die Störungsrechnung zur Berücksichtigung von Quanteneffekten falsch an. In diesem Sinn stehen Tachyonen für unsere Unfähigkeit, die Methoden der Störungs-Theorie richtig zu benutzen”, erklärt Sen. „Auf diese Aspekte beziehen sich die meisten Arbeiten zu Tachyonen heute. Das Tachyon sagt uns, dass das Feld einen Hügel hat, aber es verrät uns nicht, ob es einen Boden gibt.” Wenn das Potenzial der Form eines mexikanischen Huts entspricht, mit einer Mulde am Fuß des Hügels, dann kann die Kugel darin zur Ruhe kommen, und ein stabiler Zustand stellt sich ein. „Doch wenn es keinen Boden gibt, dann ist die Theorie inkonsistent.”
Neue Analysen der D-Branen haben nun gezeigt, dass die zehndimensionale String-Theorie tatsächlich konsistent ist. Und hier besteht eine Verbindung dieser scheinbar völlig abgehobenen Physik zu unserem Universum. Denn wenn es kurz nach dem Urknall instabile D-Branen gab, sind diese – und mit ihnen die Tachyonen – längst zerfallen. „Aber die Zerfallsprodukte können heute noch existieren, besonders als Dunkle Materie”, sagt Sen.
Dass die Masse der Dunklen Materie, die der sichtbaren, gewöhnlichen Materie weit übersteigt, ist für Astronomen seit langem klar. Außerdem trug die Dunkle Materie maßgeblich zur Bildung von Galaxien aus den homogenen Urgaswolken bei und prägt noch heute ihre Dynamik. Was sich hinter der Dunklen Materie verbirgt, weiß aber niemand. Doch aus der Stringtheorie ergeben sich zwangsläufig eine Fülle von Kandidaten.
Auch die Vorgänge kurz nach dem Urknall könnten entscheidend von tachyonischen Instabilitäten geprägt worden sein. Am Ende einer extrem raschen Aufblähung des Weltraums, der so genannten Inflation, zerfiel ein instabiles Feld und setzte schlagartig seine Energie frei. Dieser tachyonischen Aufheizung des frühen Universums verdanken wir möglicherweise unsere Existenz. Denn der Theorie des „tachyonic preheating” zufolge, die Lev Kofman mit dem Physik-Professor Andrei Linde von der kalifornischen Stanford University in den letzten Jahren entwickelt hat, entstanden aus dieser Energie alle uns heute vertrauten Elementarteilchen.
Rüdiger Vaas
