Wurmlöcher

4 January 2020, 13:46

Wissenschaft

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Sie sind Brücken durch Raum und Zeit und könnten sogar ganze Universen miteinander verbinden: Glaubt man der Science-Fiction, sind Wurmlöcher die ultimativen Abkürzungen im Kosmos. Doch wie real sind diese Phänomene? Und welche Physik steckt dahinter?

Geschrieben von  Nadja Podbregar mehr wissenschaft auf  https://www.scinexx.de/

S chon Albert Einstein dachte über die Existenz von Wurmlöchern nach – und schloss ihre Existenz keineswegs aus. Seither haben Generationen von Physikern Theorien dazu entwickelt, wie solche Abkürzungen durch die Raumzeit zustandekommen könnten. Als eines der Hauptprobleme erweist sich dabei bis heute die Passierbarkeit eines solchen Wurmlochs. Denn um diese Verbindung und ihre Eingänge stabil offen zu halten, ist einiges an exotischer Physik nötig…

In der Science-Fiction sind Wurmlöcher eine Art Tunnel durch den Kosmos – eine Abkürzung durch das normale Gefüge der Raumzeit. Sie ermöglichen es Raumschiffen, ferne Ziele und sogar Paralleluniversen nahezu instantan zu erreichen – weit schneller, als es selbst der „Warp-Antrieb“ könnte.

Ein Wurmloch durchbricht gängiger Vorstellung nach die Raumzeit und ist damit eine Abkürzung.© estt/ iStock

Abkürzung durch die Raumzeit

So lässt der Physiker Carl Sagan seine Heldin Ellie Arroway im Roman „Contact“ durch ein ganzes Netz solcher Wurmlöcher reisen, die einst von einer fortgeschrittenen außerirdischen Zivilisation konstruiert worden sind. In Science-Fiction-Serien wie „Star Trek – Deep Space Nine“ spielt ein Wurmloch sogar die zentrale Rolle als umkämpfte Passage in einen fernen Quadranten der Galaxie. Und auch Sprünge durch die Zeit sollen durch diese Gebilde möglich sein.

Aber wie? Gängiger Vorstellung nach sind Wurmlöcher eine Verbindung, die die normalen Beschränkungen des Raumzeit-Gefüges und der für uns sichtbaren Dimensionen umgehen kann. Das einfachste Analog dazu ist ein Blatt Papier als zweidimensionale Repräsentation der Raumzeit. Biegt man dieses Papier nun einmal um 180 Grad und bohrt einen Strohhalm durch beide Blätter, dann kann der Strohhalm zwei eigentlich entfernte Punkt auf kurzem Wege miteinander verbinden – wie ein Wurmloch.

Von der Singularität…

Im realen Kosmos könnte es ebenfalls solche über die für uns erfassbare Ebene der Raumzeit hinausreichenden Verbindungen zwischen entfernten Punkten geben. Dies allerdings ist nur dort möglich, wo extreme Kräfte das Raumzeit-Gefüge durchbrechen, wie beispielsweise an einem Schwarzen Loch. Gängiger Theorie nach ist die Schwerkraft eines solchen Gebildes so stark, dass sie ein Loch in die Raumzeit reißt. Sie erzeugt eine physikalische Singularität, einen Zustand, der mit klassischen Gleichungen nicht mehr zu beschreiben ist.

Modell einer Einstein-Rosen-Brücke - eines aus der Schwarzschild-Metrik abgeleiteten Wurmlochs.© AllenMcC/CC-by-sa 3.0

Schon Albert Einstein erkannte, dass es solche Singularitäten geben könnte – und strebte danach, sie umgehend wieder loszuwerden. Gemeinsam mit seinem Kollegen Nathan Rosen von der Princeton University suchte er nach einer Variante seiner Feldgleichungen und der davon abgeleiteten Schwarzschild-Metrik, die ohne Singularitäten auskommt. Die Schwarzschild-Metrik ist eine 1916 vom deutschen Physiker Karl Schwarzschild aufgestellte Lösung der Feldgleichungen, die das Verhalten der Raumzeit bei extremen, kugelförmigen Massenkonzentrationen beschreibt und damit auch Phänomene wie ein Schwarzes Loch und seinen Ereignishorizont.

…zur Einstein-Rosen-Brücke

1935 hatten Einstein und Rosen eine Lösung gefunden. Sie beschrieben in einem Artikel eine Variante der Schwarzschild-Metrik, durch die ein imaginäres Teilchen es vermeiden kann, die Grenze zur Singularität und damit den Punkt ohne Wiederkehr zu überschreiten. Stattdessen kann sich unter bestimmten Umständen eine Verbindung zwischen zwei solchen maximal gekrümmten Raumzeit-Orten bilden.

Diese „Einstein-Rosen-Brücke“ würde es einem Teilchen ermöglichen, der Singularität zu entkommen, wie die beiden Physiker mathematisch darlegten. Gleichzeitig aber könnte sie einen Weg zwischen entfernten Orten des Kosmos eröffnen. Nach Einstein und Rosen veröffentlichten in den folgenden Jahrzehnten weitere Physiker Berechnungen und Modelle, die solche Raumzeit-Brücken als theoretisch möglich darlegten.

1957 verwendete der theoretische Physiker Archibald Wheeler in diesem Zusammenhang erstmals den Begriff „Wurmloch“, um diese Brücken zu umschreiben – und beflügelte damit die Fantasie unzähliger Science-Fiction-Autoren…

Rein theoretisch könnten Wurmlöcher existieren – die Physik lässt diese Brücken durch Raum und Zeit zu. Doch es bleibt die Frage, wie ein Wurmloch konkret aussehen könnte, wie es funktioniert und ob es überhaupt passierbar wäre. Denn ob sich die Einstein-Rosen-Brücken als Verbindungswege durch Raum und Zeit eignen würden, ist extrem umstritten – und gilt als eher unwahrscheinlich.

Weg ohne Wiederkehr: Einstein-Rosen-Brücken sind wahrscheinlich unpassierbar.© Pitris/ iStock

Instantaner Kollaps

Einer der Gründe: Schon die Gleichungen von Albert Einstein und Nathan Rosen legten nahe, dass ihre „Brücke“ durch die Raumzeit nur unter ganz bestimmten Bedingungen existieren kann. So müssten die Eingänge in dieses Wurmloch von einem Schwarzen Loch gebildet werden, das nicht rotiert, keine Ladung aufweist und ewig bestehen bleibt. Schwarze Löcher, wie sie beispielsweise aus explodierenden Sternen entstehen, erfüllen diese Voraussetzungen nicht.

Hinzu kommt, dass ein solches Wurmloch zwischen zwei entfernten Orten unseres Universums extrem instabil wäre, wie der US-Physiker Archibald Wheeler im Jahr 1962 nachwies. Sobald auch nur ein einziges Photon durch diesen Tunnel passiert, würde er unter seiner eigenen Schwerkraft so schnell kollabieren, dass selbst das Lichtteilchen nicht mehr hindurchkäme. Denn jedes Eindringen in ein solches Wurmloch würde dessen fragiles Gleichgewicht zu einer Singularität zusammenbrechen lassen.

Weißes Loch als Ausgang?

Doch selbst wenn das Wurmloch nicht kollabiert, stellt sich die Frage, wie das Objekt am anderen Ende wieder hinaus kommen soll, ohne im dortigen Schwarzen Loch stecken zu bleiben. „Ein Schwarzes Loch ist eine Einbahnstraße, daher ist ein Passieren in beide Richtungen verboten – selbst wenn man nur in einer Richtung hindurchreist, kann das Objekt am anderen Ende daher kein Schwarzes Loch sein“, erklärt der US-Physiker Kip Thorne.

Eine mögliche Lösung für dieses Dilemma wäre ein Weißes Loch, eine umstrittene und rein hypothetische Umkehrung eines Schwarzen Lochs. Diese Singularität würde nicht alles anziehen, sondern hätte eine abstoßende, auseinandertreibende Wirkung. Materie und Strahlung würden dadurch den Ereignishorizont nur nach außen passieren und das Resultat würde einem Strahlenausbruch oder einer Explosion ähneln – vielleicht sogar dem Urknall. Praktischer Nebeneffekt: Würde man ein solches Weißes Loch mit einem Schwarzen kombinieren, könnte seine abstoßende Kraft den Kollaps eines Wurmlochs aufhalten – theoretisch.

Das Problem jedoch: Solche Weißen Löcher sind bisher ein rein mathematisches Konstrukt und die meisten Physiker bezweifeln, dass es sie gibt. Denn auch sie müssten den Gleichungen zufolge kollabieren, sobald auch nur ein winziger Materiepartikel ihren Ereignishorizont passiert. Zudem gibt es keine gültige Erklärung dafür, wie solche Weißen Löcher entstehen könnten.

Tödliche Einbahnstraße

Und selbst wenn es sie gäbe: Ein Wurmloch wäre dann eine absolute Einbahnstraße – ein Weg ohne Wiederkehr. Zudem würden die enormen Gezeitenkräfte in einem Schwarzen Loch ein Raumschiff wahrscheinlich zerreißen, noch bevor es den Ereignishorizont passiert hat. Selbst wenn man ein solches Wurmloch passieren könnte, wäre man danach in keinem sehr guten Zustand, wie Physiker vor einigen Jahren ermittelten.

„All diese Einwände machen es zunehmend unwahrscheinlich, dass Schwarze Löcher jemals von Menschen oder anderen intelligenten Wesen für interstellare Reisen genutzt werden können“, sagt Thorne.

Doch es gibt vielleicht eine Alternative…

Wie könnte ein passierbares Wurmloch aussehen? Diese Frage stellte der Astrophysiker und Schriftsteller Carl Sagan im Jahr 1985 seinem Kollegen Kip Thorne, als er ihm den Entwurf für den Roman „Contact“ zeigte. Angeregt durch diese Frage, begann Thorne nach einer Lösung zu suchen, die das Problem der Schwarzen Löcher und ihrer unüberwindbaren „Nebenwirkungen“ umgehen kann.

 
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Wie "konstruiert" man ein passierbares Wurmloch?© Sylphe/ iStock

Dem Physiker war schnell klar: Sollte es passierbare Wurmlöcher geben, müssten sie Einsteins Feldgleichungen gehorchen, keine zu großen Gezeitenkräfte erzeugen, stabil sein und dürften keinen Horizont aufweisen, der nur in eine Richtung passierbar ist. „Um ein Wurmloch zu sein, muss es zudem eine ‚Kehle‘ besitzen, die zwei asymptotisch flache Regionen der Raumzeit miteinander verbindet“, erklärt der Physiker in einem Fachartikel.

Das Problem der negativen Energie

Als Thorne jedoch die Gleichungen für ein solches Wurmloch entwickelte, stieß er auf ein Problem: Wie sich zeigte, müsste die „Kehle“, also der Eingangstrichter, eines solchen Wurmlochs extrem „steif“ sein – er müsste der starken Gravitation eines solchen Gebildes widerstehen. Dafür aber müsste es in der Kehle ein Material geben, das der Gravitation entgegenwirkt.

„Um die Raumzeit in der erforderlichen Weise zu krümmen, bräuchte man Materie mit negativer Masse und eine negative Energiedichte“, erläuterte der britische Physiker Stephen Hawking in einer Vorlesung. Das Problem jedoch: Nach den Prinzipien der klassischen Physik kann es keine Materie geben, die eine antigravitative Wirkung entfaltet – und auch eine negative Energiedichte galt lange als ein nicht nachweisbares Phänomen.

Quantenfluktuationen und der Casimir-Effekt

Doch Hawkings Erkenntnisse zur Physik der Schwarzen Löcher und im Speziellen zur sogenannten Hawking-Strahlung bieten einen möglichen Ausweg aus diesem Dilemma. Denn aus ihnen lässt sich ableiten, dass selbst das vermeintlich leere Vakuum des Raumes weder leer noch energielos ist. Stattdessen sorgt das Unschärfeprinzip der Quantenphysik dafür, dass ständig Paare von Teilchen und Antiteilchen entstehen und wieder verschwinden. Diese Quantenfluktuation bedeutet, dass auch das Vakuum immer ein bestimmtes Energieniveau besitzt – auch wenn es landläufig als Nullebene der Raumzeit gilt.

Der Casimir-Effekt: Würde man einen Teil des Raumes durch zwei Metallplatten eingrenzen, könnte sich darin die Quantenfluktuation nicht mehr voll entfalten.© Emok/CC-by-sa 3.0

Genau an diesem Punkt setzt das Konzept der negativen Energie an – Hawking erklärt es mit dem sogenannten Casimir-Effekt: Würde man einen Teil des leeren Raumes durch zwei parallele Metallplatten in geringem Abstand eingrenzen, könnte sich darin die Quantenfluktuation nicht mehr voll entfalten. Denn der geringe Raum lässt nur noch Fluktuationen bestimmter Wellenlängen zu – Wellenlängen deshalb, weil man Teilchen in der Quantenphysik auch als Wellen beschreiben kann.

„Das Resultat sind etwas weniger Vakuumfluktuationen oder virtuelle Partikel als außerhalb der Platten“, erklärt Hawking. Dadurch hat der Raum zwischen den Platten eine geringere Energie als außerhalb – die Raumzeit ist in ihm negativ gekrümmt.

Lässt sich das praktisch nutzen?

„Der Casimir-Effekt bestätigt uns, dass wir die Raumzeit in negative Richtung krümmen können“, so Hawking. Seiner Ansicht nach könnte diese negative Krümmung die Raumzeit so umformen, dass ein Wurmloch entsteht. Thorne sieht darin genau den exotischen Effekt, den man benötigen würde um die „Kehle“ eines Wurmlochs offenzuhalten. Allerdings: „Es könnte durchaus sein, dass die fundamentalen Gesetze der Physik ein solches exotisches Material im makroskopischen Maßstab verbieten“, schreibt Thorne. „Uns ist aber bisher kein Beweis dafür bekannt.“

Aber selbst, wenn die negative Energie in ausreichender Menge vorhanden wäre, bleibt das Problem, wie man sie konkret manipulieren kann, um ein Wurmloch zu erzeugen. Carl Sagan umgeht dieses Problem in seinem Roman, indem er eine fortgeschrittene, aber bereits verschwundene Zivilisation die entsprechende Technologie dafür entwickeln lässt.

 
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Der Physiker Hawking hielt es zumindest nicht für ausgeschlossen, dass so etwas eines Tages möglich sein könnte: „Es könnte möglich sein, wenn wir in Wissenschaft und Technologie weiter voranschreiten, dass wir so ein Wurmloch konstruieren könnten“, sagte er in seiner Vorlesung. Ob und wie solche Wurmlöcher von Natur aus entstehen könnten, ist allerdings völlig offen.

In jüngster Zeit hat die Idee der kosmischen Wurmlöcher eine kleine Renaissance erlebt. Denn eine Reihe von Forschern haben sich die Machbarkeit dieser Phänomene aus einem ganz neuen Blickwinkel angeschaut – als eine Variante der „spukhaften Fernwirkung“, wie Albert Einstein es nannte.

Im Labor kann man verschränkte Photonen durch Teilen von Laserstrahlen erzeugen – aber wie entstehen verschränkte Schwarze Löcher?© Mikhail Rudenko/ iStock

Verschränkung in kosmischem Maßstab?

Anders ausgedrückt: Einige Physiker sind der Ansicht, dass Wurmlöcher nichts anders sind als eine quantenphysikalische Verschränkung. Bei dieser sind zwei Teilchen so miteinander gekoppelt, dass die Zustandsänderung des einen instantan auch den Zustand des anderen beeinflusst. Die quantenphysikalische Besonderheit liegt darin, dass diese Verschränkung unabhängig von der Entfernung beider Partner wirkt – beide Partner reagieren zeitgleich, selbst wenn sie hunderte von Kilometern voneinander entfernt sind. Bei Photonen kann diese Verschränkung sogar über Millionen Kilometer existieren.

Das aber bedeutet, dass die Verschränkung und die damit verbundenen Zustandsänderungen im Prinzip sogar schneller als das Licht wirken können – und damit gegen die Regeln der klassischen Physik und das Prinzip der Lokalität verstoßen. Einstein und seine Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen beschrieben diesen Verstoß schon 1935 in einem Artikel, deshalb wird diese „Nebenwirkung“ der Verschränkung heute als Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon (EPR) bezeichnet.

ER = EPR?

Das Spannende daran: Diese quantenphysikalische Verschränkung könnte auch passierbare Wurmlöcher ermöglichen – ganz ohne exotische negative Materie oder negative Energie. Ein Wurmloch könnte demzufolge entstehen, wenn zwei Positionen der Raumzeit, beispielsweise zwei Schwarze Löcher, miteinander verschränkt sind. Die „Abkürzung“ durch die Raumzeit wäre demnach nichts anders als die aus der Quantenphysik bekannte „spukhafte Fernwirkung.

Im Physikerjargon ist diese ziemlich revolutionäre Sichtweise seither unter dem Kürzel „ER = EPR“ bekannt – die Einstein-Rosen-Brücke entspricht der nichtlokalen Fernwirkung des Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxons. Inzwischen haben mehrere Forschergruppen diese 2013 erstmals vorgestellte Idee aufgegriffen und erweitert, darunter auch Physiker um Daniel Jafferis von der Harvard University.

Die Forscher haben in ihrer 2017 veröffentlichten Studie mathematisch überprüft, ob ein solches EPR-Wurmloch im Gegensatz zur klassischen Einstein-Rosen-Brücke passierbar wäre. Dabei kommen sie zu dem Schluss, dass dies bei einem Wurmloch aus zwei miteinander verschränkten Schwarzen Löchern durchaus der Fall sein könnte. „Wir finden einen Stresstensor mit negativer mittlerer Null-Energie, dessen gravitative Rückstreuung die Einstein-Rosen-Brücke passierbar macht“, berichten Jafferis und seine Kollegen.

Ob es passierbare Wurmlöcher wirklich gibt, bleibt trotz aller theoretischen Überlegungen ungeklärt.© NASA/ Les Bossinas (Cortez III Service Corp.)

„Teleportation“ durchs Wurmloch

Mit anderen Worten: Die Verschränkung bestimmter Regionen am Ereignishorizont erzeugt eine Interaktion, die zumindest theoretisch einen Weg zwischen beiden Enden des Wurmlochs eröffnet und gleichzeitig die Eingänge offenhält. Astronauten, die an beiden Enden dieses Wurmlochs gleichzeitig hineinfliegen, könnten sich dadurch beispielsweise in der Mitte treffen – und ihr Treffen wäre sogar von den Eingängen aus sichtbar, wie die Physiker erklären. „Von außen betrachtet entspräche die Reise durch ein solches Wurmloch einer Quanten-Teleportation – nur mit Schwarzen Löchern statt mit Teilchen“, sagt Jafferis.

Allerdings könnte diese „Teleportation“ deutlich langsamer vonstattengehen, als es die Science-Fiction nahelegt, wie der Forscher erklärt. Denn die physikalischen Gesetze erfordern, dass alles, was durch ein solches Wurmloch hindurchgeht, einer Art zeitlicher Verzögerung unterliegt. Der Weg durch das Wurmloch darf nicht kürzer dauern als der direkte Weg durch die normale Raumzeit. „Solche Wurmlöcher erlauben es daher nicht, Distanzen im All mit Überlichttempo zu überwinden“, betonen Jafferis und seine Kollegen.

„Man bräuchte schon Magie“

Doch auch für diese EPR-Wurmlöcher gilt: Sie sind bisher reine Theorie. Ob es sie gibt und ob solche Gebilde tatsächlich eine passierbare Abkürzung durch die Raumzeit wären, bleibt daher weiterhin offen. Dennoch schließen zumindest einige Physiker nicht aus, dass die Science-Fiction auch in diesem Punkt eines Tags Wirklichkeit werden könnte.

Andere sind da allerdings deutlich skeptischer: „Selbst wenn Wurmlöcher jemals entdeckt werden sollten, werden sie nicht so aussehen, wie sie sich die Science-Fiction vorstellt“ sagt Dejan Stojkovic von der University of Buffalo. „Um ein stabiles Wurmloch zu erzeugen, bräuchte man schon Magie.“

Quelle:scinexx.de