Wurmlöcher

A Wurmloch ist ein hypothetischer Tunnel durch die Raumzeit, der zwei entfernte Regionen verbindet und eine Abkürzung bietet, die im Prinzip viel kürzer sein könnte als der gewöhnliche Weg durch den Weltraum. Die Idee folgt direkt aus Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, das Raum und Zeit als flexible Geometrie behandelt, in der sich Materie und Energie auf ungewöhnliche Weise biegen, dehnen und möglicherweise verbinden können.

Von der Einstein-Rosen-Brücke zu Tunneln in der Raumzeit

1935 fanden Einstein und Nathan Rosen heraus, dass die Mathematik zur Beschreibung eines Schwarzen Lochs zu einer „Brücke“ erweitert werden kann, die zwei Schichten der Raumzeit verbindet – die erste Wurmlochlösung, die heute als bezeichnet wird Einstein-Rosen-Brücke. Der Haken daran ist, dass diese Brücke nicht überquerbar ist: Sie bricht so schnell ab, dass nicht einmal Licht sie überqueren kann, bevor sie sich schließt, und alles, was versucht, zu passieren, würde an der Singularität zerquetscht. Es handelt sich um einen mathematischen Zusammenhang, nicht um eine brauchbare Passage.

Durchquerbare Wurmlöcher und das Problem der exotischen Materie

1988 fragten Kip Thorne und Michael Morris, was nötig wäre, um ein Wurmloch zu bauen, das ein Reisender tatsächlich durchqueren könnte. Ihre Antwort enthüllte das zentrale Hindernis. Um den Hals eines Wurmlochs offen zu halten, um der natürlichen Tendenz der Schwerkraft entgegenzuwirken, es zu kollabieren, benötigen Sie einen Bereich mit negative Energiedichte – sogenannte exotische Materie, die durch die Schwerkraft eher abstößt als anzieht. Gewöhnliche Materie, Energie und Licht haben alle eine positive Energiedichte, sodass ein durchquerbares Wurmloch etwas erfordert, was noch kein Labor in großen Mengen abgefüllt hat.

Die Quantenphysik erlaubt flüchtige negative Energie in kleinen Mengen. Das Quantenvakuum kann im unter die Energiedichte von Null sinken Casimir-Effekt, wo zwei nahe beieinander liegende Metallplatten einige Vakuumschwankungen ausschließen und zwischen ihnen einen winzigen Bereich negativer Energie erzeugen. Aus diesem Grund wird in Diskussionen über realistische Wurmlöcher oft auf den Casimir-Effekt verwiesen, aber die Mengen, um die es dabei geht, sind winzig im Vergleich zu dem, was das Offenhalten einer makroskopischen Kehle erfordern würde.

Warum Wurmlöcher verboten sein könnten

Selbst auf dem Papier stoßen Wurmlöcher auf tiefgreifende Probleme. Da sie entfernte Punkte fast augenblicklich verbinden könnten, könnte ein durchquerbares Wurmloch im Prinzip in eine Zeitmaschine verwandelt werden, was zu Kausalitätsparadoxen führt. Stephen Hawkings Chronologieschutz-Vermutung schlägt vor, dass die Gesetze der Physik genau dies verhindern sollen, vielleicht durch außer Kontrolle geratene Quanteneffekte, die jedes Wurmloch zerstören, bevor es für eine Reise in die Vergangenheit genutzt werden kann. Ob die Natur passierbare Wurmlöcher tatsächlich zulässt oder verbietet, ist ungeklärt.

Ein häufiges Missverständnis

Wurmlöcher sind keine Löcher, in die man fällt in wie ein schwarzes Loch. Ein echtes durchquerbares Wurmloch wäre eine Struktur mit zwei Öffnungen, an der Sie vorbeikommen durch, woanders zum Vorschein kommen – eher wie ein Tunnel als wie ein Abfluss. Und trotz ihrer Beliebtheit in der Science-Fiction wurde noch nie ein Wurmloch beobachtet; Sie bleiben Lösungen für die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, deren physikalische Existenz völlig spekulativ ist.

Warum der Energiezustand der Knackpunkt ist

Das Hindernis für ein echtes Wurmloch lässt sich genau benennen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht gewöhnliche Materie „Energiebedingungen“ – grob gesagt, dass die von jedem Beobachter gemessene Energiedichte nicht negativ ist. Um die Kehle eines Wurmlochs offen zu halten, ist erforderlich verletzend Diese Bedingungen: Der Hals muss mit Materie durchzogen sein, deren Energiedichte für einen passierenden Lichtstrahl negativ erscheint und ihn defokussiert, damit der Tunnel nicht eingeklemmt wird. Quanteneffekte können kleine, kurze negative Energiedichten erzeugen (der Casimir-Effekt ist der Lehrbuchfall), aber sie werden durch „Quantenungleichungen“ stark eingeschränkt, die begrenzen, wie viel negative Energie wie lange konzentriert werden kann. Schätzungen zufolge erfordert ein Wurmloch in Menschengröße eine negative Gesamtenergie, deren Größenordnung mit der Massenenergie eines Planeten oder Sterns vergleichbar ist, die in einer dünnen Hülle konzentriert ist – weit über alles, was Quanteneffekte bekanntermaßen zulassen. Diese Kluft und kein Fehler in der Geometrie ist der Grund, warum passierbare Wurmlöcher spekulativ bleiben.