Wurmloch

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Veranschaulichung eines Wurmlochs in einem zweidimensionalen Universum. Sowohl ein Weg entlang des roten als auch einer entlang des grünen Pfeils ist im blauen, zweidimensionalen Raum eineGerade.

Wurmlöchersind theoretische Gebilde, die sich aus speziellen Lösungen (Kruskal-Lösungen) derFeldgleichungenderallgemeinen Relativitätstheorieergeben. Erstmals wurden sie im Jahre 1916 vonLudwig Flammsowie erneut im Jahre 1935 vonAlbert EinsteinundNathan Rosenbeschrieben. Sie werden daher auchEinstein-Rosen-Brückegenannt.[1]Der englische Begriffwormholewurde 1957 vonJohn Archibald Wheelergeprägt.[2]Der NameWurmlochstammt von derAnalogiemit einem Wurm, der sich durch einen Apfel hindurchfrisst. Er verbindet damit zwei Seiten desselben Raumes (der Oberfläche) mit einem Tunnel. Das veranschaulicht das Merkmal der Kruskal-Lösungen, zwei Orte imUniversumzu verbinden. Es gibt keine experimentellen Hinweise für die tatsächliche Existenz von Wurmlöchern in unserem Universum.

Theoretische Grundlage

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Simulation des Blicks in ein Wurmloch, welches den Vorplatz des physikalischen Instituts in Tübingen mit einer Dünenlandschaft am Ärmelkanal verbindet

Die allgemeine Relativitätstheorie erweitert den anschaulicheneuklidischen Raumder Alltagserfahrung zum allgemeineren Gebilde derRaumzeit.Mathematisch ist die Raumzeit eine vierdimensionale,pseudo-riemannsche Mannigfaltigkeit.Jegliche Form von Energie, wie etwa Masse, Licht oder elektrische Ladung, verändert geometrische Eigenschaften der Raumzeit, die wiederum selbst einen Einfluss auf die Bewegung der im Gebiet befindlichen Objekte haben. Dieser Einfluss ist dieGravitation.Man spricht dabei allgemein von einerKrümmungder Raumzeit. Hierbei sei angemerkt, dass es ein häufiger Fehler ist, wenn nur von einer Krümmung des Raumes gesprochen wird, da auch die Zeit verzerrt wird, wodurch Effekte wie die gravitativeZeitdehnungauftreten.

Das Gravitationsfeld einer spezifischen Energieverteilung ist eine Lösung derEinsteingleichungen.Die einfachste ist dieSchwarzschild-Lösung,die das Gravitationsfeld einer homogenen, nicht geladenen und nicht rotierenden Kugel beschreibt. Sie beschreibt in guter Näherung auch das Gravitationsfeld der Erde oder eines Sterns im Außenraum. Fällt ein Stern hingegen zu einemSchwarzen Lochzusammen, genügt die Schwarzschild-Lösung nicht, um das ganze Gebilde zu beschreiben. AmEreignishorizontdes Objekts findet sich eineKoordinatensingularität,über die die Schwarzschild-Koordinaten nicht hinausreichen. Es handelt sich jedoch nicht um einephysikalischeSingularität, da sie sich durch Wahl neuer Koordinaten beheben lässt – in Form derKruskal-Szekeres-Koordinaten,die auch die Raumzeit im Innern des Ereignishorizontes beschreiben. Es gibt neben dem Außen- und Innenraum des Schwarzen Loches noch dazu äquivalente, gespiegelte Räume. Somit zeichnet sich ein möglicher Übergang zu einemWeißen Lochab, aus dem Materie zwar austreten, aber nicht eindringen kann.

Die Verbindung zwischen den beiden Gravitationsanomalien wird alsEinstein-Rosen-Brückeund das gesamte Objekt alsWurmlochbezeichnet, speziell bei Verbindung eines Schwarzen Lochs und eines Weißen Lochs alsSchwarzschild-Wurmloch,das nur in eine Richtung durchquerbar ist. Prinzipiell ist es denkbar, dass Wurmlöcher zwei Orte derselben Raumzeit oder zwei unterschiedliche Raumzeiten einesMultiversumsmiteinander verbinden.

Modelle

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Es gibt bislang keine experimentellen Beweise für Wurmlöcher. Wheeler und Fuller zeigten 1962, dass Wurmlöcher in der allgemeinen Relativitätstheorie instabil sind – ohne Effekte der Quantenverschränkung zu berücksichtigen.[3]Einige Wissenschaftler wieKip Thorne[4]berechneten, dass eine Instabilität der Wurmlochverbindung nur durchexotische Materiezu verhindern wäre. Er konstruierte bei Annahme von deren Existenz Modelle in beiden Richtungen durchquerbarer Wurmlöcher (Morris-Thorne-Wurmloch 1988).

Stephen Hawkingschloss nicht völlig aus, dass hineinfallende Teilchen normalerMaterieein Wurmloch schnell zusammenbrechen lassen. Im BuchDas Universum in der Nussschaleerwog er praktische Auswirkungen von Wurmlöchern.

Die exotische Materie müsste in dem Raumgebiet, wo das Wurmloch sein soll,antigravitativwirken – mit negativer mittlererEnergiedichte.Bisher ist unbekannt, wie solche Materie herzustellen wäre, geschweige denn, wie man damit Wurmlöcher baut. Schätzungen besagen, dass für ein Wurmloch mit einem Meter Durchmesser exotische Materie von der Masse desJupitersnotwendig wäre. Eventuell sind nurmikroskopischeWurmlöcher (von der Größe wenigerAtomradien) möglich, wenn exotische Materie beziehungsweise negative Energiedichten im Spiel sind. Matt Visservon der Victoria-Universität (Wellington) nahm an, dass winzige Mengen exotischer Materie zur Erzeugung von Wurmlöchern ausreichen.[5]Visser spekulierte, dass Varianten vonkosmischen StringsWurmlöcher in der Frühzeit des Universums erzeugt haben könnten, die heute über denGravitationslinseneffektbeobachtbar wären.[6]

Theoretisch wäre es möglich, aus einem passierbaren Wurmloch eine Zeitmaschine zu machen,[7]indem ein Ende aufrelativistische Geschwindigkeitenbeschleunigt wird, ähnlich wie imZwillingsparadoxon.Die Diskussion darum, welche Schutzmechanismen (eventuell unter Einbeziehung der Quantentheorie) dies hier und in anderen Fällen[8]verhindern (Chronology Protection Hypothesis), wird zum Beispiel in dem Buch von Kip ThorneBlack holes and time warpsgeschildert.[9][10]

Ping Gao,Daniel Louis JafferisundAron C. Wall[11][12]fanden 2016 eine neue Art prinzipiell durchquerbarer Wurmlöcher, die keiner exotischer Materie negativer Energiedichte bedarf. Sie bauten auf dieER-EPR-VermutungvonJuan MaldacenaundLeonard Susskindauf, die die Äquivalenz von speziellen Wurmlöchern und Paaren quantenverschränkter Teilchen (EPR-Paare) postuliert und von diesen für die Lösung desInformationsparadoxons Schwarzer Löcher[13]und dessen Verschärfung im Feuerwand-Paradoxon vonJoseph Polchinskibenutzt wurde (außerdem sahen die Urheber darin ein neues Bild der Quantengravitation bzw. einer stabilen quantisierten Raumzeit, deren Existenz der Quantenverschränkung zu verdanken ist). Gao, Jafferis und Wall fanden, dass ihr Szenario mathematisch äquivalent zu einer Beschreibung derQuantenteleportationist, die damit ebenfalls neu interpretiert wurde.[14]Die im Schwarzen LochverschwundeneInformation taucht am zweiten Schwarzen Loch, das über das Wurmloch mit dem ersten kausal verbunden ist, wieder auf. Beide sind quantenverschränkt. Die Information verschwand daher nicht. Es kommt dabei nicht zum Aufschaukeln der Verschränkungen wie im Feuerwand-Paradoxon, da die Information im zweiten Loch erst über die übliche Raumzeit zum ersten zurückgelangen muss. Das Feuerwand-Paradoxon, das darauf beruht, dass nur jeweils zwei Teilchen nach der Quantenmechanik verschränkt sein können, im Fall der Schwarzen Löcher dies aber viele Teilchen in derHawking-Strahlungsind, diente zuvor Polchinski als Argument gegen die Existenz eines Inneren von Schwarzen Löchern. Wie bei der Quantenteleportation kann es über die Wurmlöcher auch zu keinen Zeitreisen kommen. Die neue Interpretation stützt auch die Idee derKomplementaritätvom Innen- und Außenbereich Schwarzer Löcher (Black Hole Complementarity), einer von Leonard Susskind undGerard ’t Hooftvorgeschlagenen Lösung des Informationsparadoxons Schwarzer Löcher.

Science-Fiction

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MehrereScience-Fiction-Autoren beschrieben Reisen im Weltraum mit Hilfe von Wurmlöchern. Die SerieDeep Space Nineaus derStar-Trek-Reihe handelt von einer abgelegenen Raumstation, die durch ein in der Nähe entdecktes Wurmloch große wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Hierbei ist dieses Wurmloch eine künstlich erzeugte Passage. Auch die mehrere Jahre laufende SerieStargatebedient sich dieser Theorie. Im KinofilmDonnie Darkowird dagegen die Existenz eines Wurmlochs als Ausgangspunkt für eine vieldeutige Geschichte um Zeitreisen, Schicksal und Metaphysik verwendet. Auch hier wurde die Geschichte mit zahlreichen Elementen derFantasyaufbereitet. Des Weiteren kommt im FilmDéjà Vu – Wettlauf gegen die Zeiteine Maschine vor, die mittels Wurmlöchern in die Vergangenheit sehen, geringe Mengen Materie in die Vergangenheit schleusen und die Vergangenheit verändern kann. Im FilmContactstellt man mit einem künstlichen Wurmloch Kontakt mit einer anderen Zivilisation her. In der SerieSlidersist es möglich, per Wurmloch in Parallelwelten zu reisen. In der ComicverfilmungThorreisen Götter zu verbundenen Planeten ebenfalls durch ein Wurmloch. Im FilmThe Onereist die Hauptfigur durch Wurmlöcher, um seine Doppelgänger aus allen anderen Universen zu töten. Ebenfalls um Wurmlöcher geht es im ComputerspielPortal,in dem man mit einem Gerät durch zwei Portale wurmlochähnliche Durchgänge erzeugt, um Hindernisse zu umgehen und Rätsel zu lösen. Auch im dritten Teil derCrysis-Trilogiewird auf die Theorie von Wurmlöchern zurückgegriffen.

Diese Darstellung von Wurmlöchern in der Science-Fiction hat wenig mit der physikalischen Theorie gemein. Oft wird ein Wurmloch als zweidimensionales „Loch “dargestellt, in das Personen ein- und austreten. Laut der Theorie der Wurmlöcher ist die Öffnung jedoch kugelförmig. Auch ignorieren Autoren von der Theorie vorhergesagte enormeGezeitenkräfte.Physikalisch sind jeneFantasienunrealistisch. Darstellungen von Wurmlöchern, die einem aktuelleren Kenntnisstand entsprechen, findet man inDas Licht ferner TagevonStephen BaxterundArthur C. Clarkesowie – sehr detailliert – in den BüchernDiasporavonGreg EganundContactvonCarl Saganals auch in demWeltenbau-InternetprojektOrion’s Arm.

Der 2014 erschienene Science-Fiction-FilmInterstellar,der unter Beratung des WissenschaftlersKip Thorneentstand, bedient sich ebenfalls der Thematik der Wurmlöcher. Hierbei wird das Wurmloch als kugelförmiges Gebilde dargestellt.

Siehe auch

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Literatur

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  • Stephen Hawking:Das Universum in der Nussschale.Deutscher Taschenbuch Verlag, München 2004,ISBN 3-423-34089-4.
  • Rüdiger Vaas:Tunnel durch Raum und Zeit.7. Auflage. Franckh-Kosmos, Stuttgart 2015,ISBN 3-440-13431-8.
  • Kip Thorne:Gekrümmter Raum und verbogene Zeit.Droemer Knaur, München 1996,ISBN 3-426-77240-X.
  • Matt Visser:Lorentzian Wormholes: From Einstein to Hawking.Springer, New York/Berlin/Heidelberg 1996,ISBN 1-56396-653-0.
  • Sunny Kalara u. a.:Blackholes, membranes, wormholes and superstrings.International Symposium on Black Holes, Membranes, Wormholes and Superstrings, Houston Advanced Research Center, USA, 16.–18. Januar 1992. World Scientific, Singapur 1993,ISBN 981-02-1151-1.
  • Paul Halpern:Löcher im All. Modelle für Reisen durch Zeit und Raum.Rowohlt, Reinbek 1997,ISBN 3-499-60356-X.
  • Jim Al-Khalili:Schwarze Löcher, Wurmlöcher und Zeitmaschinen.Spektrum Akad. Verl., Heidelberg/Berlin 2001,ISBN 3-8274-1018-5.
  • Paul Davies:Wormholes and Time Machines.In:Sky & Telescope.Band83,Januar 1992,S.20–23.
  • Michael Morris, Kip Thorne:Wormholes in space-time and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity.In:Am. J. Phys.Band56,Nr.5,Mai 1988,S.395–412(physics.uofl.edu(Mementovom 1. Juli 2011 imInternet Archive) [PDF;1,8MB;abgerufen am 11. November 2014]).
  • Stephen Hawking:Wormholes in spacetime.In:Physical Review D.Band37,Nr.4,1988,S.904–910(Abstract).
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Wiktionary: Wurmloch– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

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  1. ↑Albert Einstein, Nathan Rosen:The Particle Problem in the General Theory of Relativity.InPhysical ReviewVol. 48[1](PDF)
  2. ↑Charles W. Misner, John A. Wheeler:Classical physics as geometry.In:Annals of Physics,2, Issue 6, 12/1957, S. 525–603,bibcode:1957AnPhy...2..525M.
  3. ↑Robert A. Fuller, John Archibald Wheeler:Causality and Multiply-Connected Space-Time.Physical Review, Band 128, 1962, 919.
  4. ↑Michael Morris, Kip Thorne, Ulvi Yurtsever:Wormholes, time machines and the weak energy condition.Phys. Rev. Lett., 61, 1988, 1446–1449,caltech.edu(PDF; 677 kB)
  5. ↑Matt Visser:Traversable worm holes: some simple examples.In:Phys. Rev. D,39, 1989, S. 3182–3184,arxiv:0809.0907.
  6. ↑John G. Cramer, R. Forward, M. Morris, M. Visser, G. Benford, G. Landis:Natural wormholes as gravitational lenses.In:Phys. Rev. D,51, 1995, 3117–3120,arxiv:astro-ph/9409051.
  7. ↑Darauf wurde schon in Morris, Thorne, Yurtsever, loc. cit. 1988, hingewiesen.
  8. ↑Zuerst konstruierteKurt Gödelkosmologische Lösungen der allgemeinen Relativitätstheorie mit geschlossenen zeitartigen Kurven (Zeitreisen).
  9. ↑Thorne:Black holes and time warps.Norton, 1994.
  10. ↑Matt Visser:The quantum physics of chronology protection.In: Gibbons u. a.:The future of theoretical physics and cosmology.Cambridge University Press, 2003 (Hawking-Festschrift),arxiv:gr-qc/0204022.
  11. ↑Ping Gao, Daniel Jafferis, Aron Wall:Traversable Wormholes via a Double Trace Deformation.2016,arxiv:1608.05687.
  12. ↑Natalie Wolchover:Newfound Wormhole Allows Information to Escape Black Holes.Quanta Magazine, 23. Oktober 2017.
  13. ↑Juan Maldacena, Douglas Stanford, Zhenbin Yang:Diving into transversable wormholes.2017,arxiv:1704.05333.
  14. ↑Susskind, Ying Zhao:Teleportation through the wormhole.2017,arxiv:1707.04354.
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