Seitdem in 2001:Odyssee im Weltraum erstmals eine Reise durch ein Wurmloch dargestellt wurde Vor 50 Jahren hat die Idee von ihnen die öffentliche Vorstellungskraft erobert. Und kein Wunder:Sie sind die ultimative Form der kosmischen Reise:eine Möglichkeit, im Handumdrehen Galaxien zu durchqueren.
Aber während Wurmlöcher zu einem festen Bestandteil der Science-Fiction geworden sind, waren sie unter Wissenschaftlern eine Quelle endloser Frustration. Nicht weil die Idee lächerlich ist, sondern weil sie es nicht ist. Die erstaunliche Tatsache ist, dass Wurmlöcher eine natürliche Folge der aktuellen Gravitationstheorien sind und vor über 80 Jahren von Einstein selbst untersucht wurden. Seitdem versuchen Forscher herauszufinden, ob solch eine bizarre theoretische Möglichkeit Wirklichkeit werden könnte.
Und jetzt haben sie einen großen Durchbruch erzielt – einen, der tiefe Verbindungen zwischen der Natur von Raum und Zeit und den Gesetzen der subatomaren Welt ausnutzt. Das Ergebnis ist ein neues Verständnis dessen, was genau erforderlich ist, um ein echtes Wurmloch zu erstellen.
Weiterlesen:
- Die Jagd nach den ältesten Galaxien des Universums
- Schwarze Löcher:Wie haben wir diese „dunklen Sterne“ entdeckt?
Einstein untersuchte erstmals 1935 mit seinem Kollegen Nathan Rosen die Eigenschaften von Wurmlöchern unter Verwendung seiner als Allgemeine Relativitätstheorie bekannten Gravitationstheorie. Sie fanden heraus, dass das, was wir heute ein Schwarzes Loch nennen, über einen röhrenartigen „Hals“ mit einem anderen verbunden sein könnte. Die jetzt als Einstein-Rosen-Brücke bezeichnete Brücke schien den Weg zu ebnen, Abkürzungen durch Raum und Zeit zu nehmen, in ein Schwarzes Loch in einem Teil des Universums einzudringen und aus einem anderen wieder aufzutauchen, vielleicht Millionen von Lichtjahren entfernt, aber ohne Millionen von Jahren zu brauchen um dies zu tun – und somit effektiv schneller als mit Lichtgeschwindigkeit reisen.
Es war eine erstaunliche Idee, aber in den frühen 1960er Jahren wurde ihr von John Wheeler, dem brillanten US-Physiker, der als erster die Begriffe „Schwarzes Loch“ und „Wurmloch“ prägte, ein schwerer Schlag versetzt. Zusammen mit seinem Theoretikerkollegen Robert Fuller zeigte er, dass die Einstein-Rosen-Brücke fast sofort nach ihrer Entstehung zusammenbrechen würde. Wie Dr. Daniel Jafferis, außerordentlicher Professor für Physik an der Harvard University, erklärt:„Wir könnten von entgegengesetzten Seiten hineinspringen und uns im verbundenen Innenraum treffen, aber dann wären wir beide dem Untergang geweiht.“
Jafferis gehört zu einer Elitegruppe von Theoretikern auf der ganzen Welt, die nach Wegen suchen, dieses Problem zu umgehen. Die vielversprechendste Idee war seit Jahren, die Brücke mit einer Art „exotischer Materie“ mit negativer Energie zu unterstützen. Wie der Name schon sagt, ist das ziemlich seltsames Zeug – so seltsam, dass es in der Lage ist, die normalen Regeln der Schwerkraft zu beugen. Während gewöhnliche Materie immer eine Gravitationskraft erzeugt, erzeugt die von dieser exotischen Materie erzeugte negative Energie eine antigravitative Abstoßung. Erstaunlicherweise ist bekannt, dass solche Energie existiert. In den 1990er Jahren entdeckten Astronomen, dass sich das gesamte Universum unter der Antigravitationswirkung der sogenannten „dunklen Energie“ ausdehnt. Es gibt nur ein Problem:Die genauen Ursprünge der Dunklen Energie sind noch unbekannt. Dasselbe gilt für die exotische Materie – niemand hat eine Ahnung, wie man das Zeug herstellt, geschweige denn damit ein Wurmloch offen hält, das lange genug ist, um hindurchzufliegen.
Der Wurm hat sich gedreht
Doch nun hat die Debatte um solche sogenannten passierbaren Wurmlöcher eine radikale Wendung genommen. Es folgt der Entdeckung einer neuen Möglichkeit, die Brücke intakt zu halten, basierend auf einer überraschenden Verbindung zwischen Wurmlöchern und der Quantentheorie (den Gesetzen der subatomaren Welt). Es entstand bei Versuchen, ein Problem zu lösen, das einige der größten Theoretiker unserer Zeit, einschließlich des verstorbenen Stephen Hawking, besessen hat:Was passiert mit Objekten, die in ein Schwarzes Loch fallen?
Jeder weiß, dass man aus einem Schwarzen Loch nicht entkommen kann, wenn man es einmal drin hat:Die Anziehungskraft der Schwerkraft ist zu stark, selbst als dass Licht seinen Fängen entkommen könnte. Hawking zeigte jedoch bekanntermaßen, dass ein Schwarzes Loch nicht ewig besteht, sondern schließlich in einem Ausbruch intensiver Strahlung explodiert und keine Spur von dem hinterlässt, was hineingefallen ist.
Das Problem ist, dass dies einem der Schlüsselprinzipien der Quantentheorie widerspricht, die besagt, dass Informationen niemals zerstört werden können. Schwarze Löcher scheinen jedoch durchaus in der Lage zu sein, Informationen darüber, was sie konsumiert haben, vollständig zu zerstören. Dies ist das berüchtigte „Informationsparadoxon der Schwarzen Löcher“ und weist auf eine große Lücke in unserem Verständnis der Funktionsweise des Universums hin.
Jahrzehntelang versuchten Hawking und viele andere erfolglos, das Paradoxon zu lösen. Aber jetzt wächst die Aufregung, dass die Antwort gefunden wurde. Und es liegt in der Fähigkeit von Wurmlöchern, einen Ausweg aus Schwarzen Löchern zu bieten. Einfach gesagt glauben Theoretiker, dass die angeblich unausweichliche Grenze eines Schwarzen Lochs – der sogenannte Ereignishorizont – mit winzigen Wurmlöchern durchsetzt ist, die Informationen heraussickern lassen, zusammen mit der Strahlung, die Hawking gezeigt hat, um Schwarze Löcher zu zerstören. Dies wiederum hat zu neuen Einsichten in die Natur von Wurmlöchern geführt und ob sie durchquert werden können.
Bisher war die einzige bekannte Möglichkeit, ein Wurmloch zu durchqueren, den Einsturz der Einstein-Rosen-Brücke mithilfe der negativen Energie exotischer Materie zu verhindern. „Quanteneffekte lassen etwas negative Energie zu“, erklärt Jafferis. „Aber es wurde lange vermutet, dass das, was für ein passierbares Wurmloch erforderlich ist, physikalisch unmöglich ist.“
Nun glauben Jafferis und seine Kollegen Dr. Ping Gao und Dr. Aron Wall, eine weitere Quelle entdeckt zu haben. „Wir haben herausgefunden, dass eine direkte Wechselwirkung zwischen den [schwarzen Löchern an den] zwei Enden eines nicht passierbaren Wurmlochs zu negativer Energie führen kann“, sagt Jafferis. Der resultierende Antigravitationseffekt verhindert dann den Einsturz der Einstein-Rosen-Brücke und macht das Wurmloch somit passierbar.
Wenn Jafferis und seine Kollegen von „direkter Interaktion“ sprechen, meinen sie, dass die beiden schwarzen Löcher, die die Mündungen des Wurmlochs bilden, sich gegenseitig im realen, gewöhnlichen Raum beeinflussen. „Ein gutes Beispiel sind binäre Schwarze Lochsysteme, die gegenseitig die Hawking-Strahlung verbrauchen“, sagt Jafferis. „Der Verbrauch der Strahlung ist die direkte Verbindung.“
In einem Wirrwarr
Die gute Nachricht ist also, dass durchquerbare Wurmlöcher wirklich existieren können. Besser noch, laut Jafferis ist es zumindest im Prinzip kein Problem, einen Menschen durch einen von ihnen zu schicken. Aber, vielleicht nicht überraschend, gibt es einige große Probleme zu überwinden.
Erstens können die Schwarzen Löcher nicht einfach der Standardtyp sein, der aus den kollabierten Überresten riesiger Sterne gebildet wird; sie müssen „maximal verschränkt“ sein. Dies bezieht sich auf eine seltsame Quantenverbindung, die zwischen zwei Objekten bestehen kann, so dass alles, was dem einen angetan wird, sich sofort auf das andere auswirkt – egal, wie weit sie voneinander entfernt sind.
Weiterlesen:
- Drehen sich Schwarze Löcher?
- Kollapsen Schwarze Löcher?
Wie negative Energie existiert auch das bizarre Phänomen der Quantenverschränkung wirklich. Es wurde erstmals vor fast 40 Jahren in Laborexperimenten entdeckt und wird jetzt von Unternehmen wie Google für die Entwicklung ultraschneller Quantencomputer untersucht. Doch während subatomare Teilchen im Labor relativ leicht verschränkt werden können, hat niemand eine Ahnung, wie man dasselbe mit Schwarzen Löchern macht. „Wir können nicht einmal unverschränkte Schwarze Löcher herstellen, geschweige denn genau quantenverschränkte“, erklärt Jafferis.
Doch die direkte Interaktion zwischen zwei Schwarzen Löchern hat einen Haken:Sie verbietet jede erstaunliche Zeitreisetrickserei. Aber könnte es immer noch schneller als Licht reisen? Das ist eine knifflige Frage, sagt Jafferis. Schwerkraft, Raum und Zeit sind alle eng miteinander verbunden, und das bringt den eigentlichen Begriff von Geschwindigkeit durcheinander. Laut Jafferis deuten Berechnungen auf der Grundlage der bisher untersuchten Wurmlochtypen darauf hin, dass ihre Verwendung tatsächlich langsamer wäre, als einfach direkt durch den Weltraum zu reisen. Er räumt jedoch ein, dass die Details noch nicht vollständig ausgearbeitet sind. Es scheint also, dass Science Fact immer noch ein wenig hinter Science Fiction hinkt. Die Naturgesetze scheinen darauf zu bestehen, dass Wurmlöcher entweder erstaunliche Leistungen erbringen können, aber sofort zusammenbrechen, oder durchquerbar, aber nutzlos sind.
Doch immer wieder hält die Natur Theoretiker vor große Überraschungen. Die bloße Möglichkeit von Schwarzen Löchern war jahrzehntelang umstritten, und Einstein selbst weigerte sich, an Quantenverschränkung zu glauben. Könnte es sein, dass irgendwo im Universum natürliche Wurmlöcher ihre Wunder vollbringen?
Wissenschaft oder Science-Fiction?
Die Möglichkeit, ein echtes Wurmloch zu beobachten, steht nun im Mittelpunkt der Forschung von Theoretikern, die eine Mischung aus Mathematik und Computermodellen verwenden. Die Herausforderung besteht darin, den Unterschied zwischen normalen Schwarzen Löchern und denen zu erkennen, die die Portale von Wurmlöchern sind. Laut Rajibul Shaikh, einem Gravitationstheoretiker am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, Indien, liegt die Antwort möglicherweise in subtilen Unterschieden in der Art und Weise, wie sie ihre Umgebung beeinflussen – und insbesondere im Verhalten von Licht. „Wie von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, werden Photonen in einem Gravitationsfeld gebogen“, erklärt er.
Die intensive Schwerkraft von Schwarzen Löchern erzeugt um sie herum unglaublich heiße, helle Akkretionsscheiben, die aus Materie bestehen, die sich spiralförmig ihrem Untergang entgegendreht. Die ansonsten unsichtbaren Wirte dieser Scheiben offenbaren dann ihre Anwesenheit als pechschwarze Schatten, die auf sie geworfen werden. Es ist die Form dieses Schattens, die zeigen könnte, wann ein Schwarzes Loch tatsächlich etwas noch Bizarres ist. Laut Shaikh stammen die verräterischen Zeichen eines Wurmlochs von der Gravitationswirkung seines Schlunds auf den resultierenden Schatten.
„Ich fand heraus, dass die Form des Schattens eines langsam rotierenden Wurmlochs dem fast perfekt scheibenförmigen Schatten sehr ähnlich wäre, der von einem langsam rotierenden Schwarzen Loch geworfen wird“, erklärt er. „Aber ein sich schneller drehendes Wurmloch würde einen Schatten werfen, der stärker verzerrt ist als der eines Schwarzen Lochs mit der gleichen Drehung.“
Er betont, dass die Forschung noch im Gange ist und die bisherigen Ergebnisse auf bestimmten Arten von Schwarzen Löchern und Wurmlöchern basieren. „Es gibt keine Garantie, dass die Art von rotierenden Wurmlöchern, die ich für die häufigsten halte.“
Aber Shaikh weist darauf hin, dass Astronomen bereits über die Mittel verfügen, um die Effekte zu erkennen, die vorhergesagt wurden, um Wurmlöcher herum zu existieren. Es ist als Event Horizon Telescope (EHT) bekannt und besteht aus einem globalen Netzwerk von Funkantennen, mit denen Studien über Schwarze Löcher und Wurmlöcher durchgeführt werden können. „Und es hat bereits mit der Datenerfassung begonnen“, sagt Shaikh. Es könnte einfach sein, dass das Raum-Zeit-Wurmloch ein halbes Jahrhundert nach seinem Debüt auf der Kinoleinwand mehr als nur Science-Fiction werden wird.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 322 des BBC Focus Magazine