Würden Astronauten eine interstellare Reise durch ein Wurmloch überleben?

In der Weltraumoper Interstellar haben Astronauten, die die Menschheit retten wollen, eine Rettungsleine gefunden: ein Wurmloch, das auf mysteriöse Weise neben dem Saturn aufgetaucht ist. Der Tunnel durch die Raumzeit führt zu einer fernen Galaxie und der Möglichkeit, bewohnbare Planeten zu finden, die der Mensch besiedeln kann. Das Wurmloch des Films basiert auf der realen Physik des pensionierten CalTech-Professors Kip Thorne, eines Astrophysik-Pioniers, der auch Carl Sagan half, sein Wurmloch für den Roman Contact zu entwerfen. Die Visualisierungen sind atemberaubend und werden als eine der genauesten Simulationen von Wurmlöchern und Schwarzen Löchern im Film gepriesen. Aber es gibt einen Aspekt des Eintauchens in einen interstellaren Express, den der Film nicht behandelt: Wie überlebst du die Reise?

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Obwohl sie es nicht so nannten, war das ursprüngliche Wurmloch die Idee von Albert Einstein und seinem Assistenten Nathan Rosen. Sie versuchten, Einsteins Gleichungen für die allgemeine Relativitätstheorie auf eine Weise zu lösen, die letztendlich zu einem rein mathematischen Modell des gesamten Universums führen würde, einschließlich der Schwerkraft und der Teilchen, aus denen die Materie besteht. Ihr Versuch bestand darin, den Raum als zwei geometrische Flächen zu beschreiben, die durch "Brücken" verbunden sind, die wir als Partikel wahrnehmen.

Ein anderer Physiker, Ludwig Flamm, hatte solche Brücken 1916 in seiner Lösung der Einsteinschen Gleichungen selbständig entdeckt. Leider hat diese "Theorie von allem" nicht geklappt, weil sich die theoretischen Brücken letztendlich nicht wie echte Teilchen verhalten haben. Aber Einstein und Rosens Arbeit von 1935 popularisierte das Konzept eines Tunnels durch das Gefüge der Raumzeit und brachte andere Physiker dazu, sich ernsthaft mit den Auswirkungen auseinanderzusetzen.

Der Princeton-Physiker John Wheeler prägte den Begriff "Wurmloch" in den 1960er Jahren, als er die Modelle von Einstein-Rosen-Brücken erforschte. Er bemerkte, dass die Brücken den Löchern ähneln, die Würmer durch Äpfel bohren. Eine Ameise, die von einer Seite des Apfels zur anderen kriecht, kann entweder ganz um die gekrümmte Oberfläche herumstapfen oder eine Abkürzung durch den Wurmtunnel nehmen. Stellen Sie sich vor, unsere dreidimensionale Raumzeit ist die Schale eines Apfels, der sich um eine höhere Dimension dreht, die als "Masse" bezeichnet wird. Eine Einstein-Rosen-Brücke ist ein Tunnel durch die Masse, durch den Reisende eine Überholspur zwischen zwei Punkten im Weltraum einschlagen können. Es klingt seltsam, ist aber eine legitime mathematische Lösung für die allgemeine Relativitätstheorie.

Wheeler erkannte, dass die Mündungen der Einstein-Rosen-Brücken gut mit den Beschreibungen des sogenannten Schwarzschild-Schwarzen Lochs übereinstimmen, einer einfachen Materie, die so dicht ist, dass nicht einmal Licht ihrer Anziehungskraft entgehen kann. Ah-ha! Astronomen glauben, dass Schwarze Löcher existieren und gebildet werden, wenn die Kerne von übermäßig massereichen Sternen in sich zusammenfallen. Könnten Schwarze Löcher also auch Wurmlöcher und damit Tore für interstellare Reisen sein? Mathematisch gesehen vielleicht - aber niemand würde die Reise überleben.

Im Schwarzschild-Modell ist das dunkle Herz eines Schwarzen Lochs eine Singularität, eine neutrale, unbewegliche Kugel mit unendlicher Dichte. Wheeler berechnete, was passieren würde, wenn ein Wurmloch geboren würde, wenn zwei Singularitäten in weit entfernten Teilen des Universums in der Masse verschmelzen und einen Tunnel zwischen Schwarzschild-Schwarzen Löchern erzeugen. Er stellte fest, dass ein solches Wurmloch von Natur aus instabil ist: Der Tunnel bildet sich, zieht sich dann aber zusammen und zieht sich zusammen, so dass Sie nur noch zwei Singularitäten haben. Dieser Prozess des Wachstums und der Kontraktion geschieht so schnell, dass nicht einmal Licht durch den Tunnel gelangt und ein Astronaut, der versucht, hindurchzukommen, auf eine Singularität stößt. Das ist ein plötzlicher Tod, da die immensen Gravitationskräfte den Reisenden auseinander reißen würden.

"Alles oder jeder, der versucht, die Reise zu unternehmen, wird in der Quetschung zerstört!" Thorne schreibt in seinem Begleitbuch zum Film The Science of Interstellar .

Die Wissenschaft des Interstellaren

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Es gibt eine Alternative: ein rotierendes Kerr-Schwarzes Loch, eine weitere Möglichkeit in der allgemeinen Relativitätstheorie. Die Singularität innerhalb eines Kerr-Schwarzen Lochs ist ein Ring im Gegensatz zu einer Kugel, und einige Modelle schlagen vor, dass eine Person die Reise überleben könnte, wenn sie wie ein Basketball durch einen Reifen sauber durch die Mitte dieses Rings läuft. Thorne hat jedoch eine Reihe von Einwänden gegen diesen Begriff. In einem 1987 erschienenen Artikel über das Reisen mit dem Wurmloch stellt er fest, dass der Hals eines Kerr-Wurmlochs eine Region namens Cauchy-Horizont enthält, die sehr instabil ist. Die Mathematik sagt, sobald irgendetwas, sogar Licht, versucht, diesen Horizont zu passieren, stürzt der Tunnel ein. Selbst wenn das Wurmloch irgendwie stabilisiert werden könnte, sagt uns die Quantentheorie, dass das Innere mit energiereichen Partikeln geflutet werden sollte. Wenn Sie einen Fuß in ein Kerr-Wurmloch setzen, werden Sie knusprig gebraten.

Der Trick ist, dass die Physik die klassischen Gravitationsregeln noch nicht mit der Quantenwelt vereint hat, ein schwer fassbares Stück Mathematik, das viele Forscher zu fassen versuchen. Juan Maldacena aus Princeton und Leonard Susskind aus Stanford schlugen vor, dass Wurmlöcher wie physikalische Manifestationen von Verstrickungen sein könnten, wenn Quantenobjekte unabhängig von ihrem Abstand miteinander verbunden sind.

Einstein beschrieb die Verstrickung als "gruselige Aktion in der Ferne" und widerstand der Vorstellung. Zahlreiche Experimente belegen jedoch, dass Verstrickungen real sind. Sie werden bereits kommerziell zum Schutz der Online-Kommunikation, beispielsweise von Bankgeschäften, eingesetzt. Nach Maldacena und Susskind verändern große Mengen an Verschränkungen die Geometrie der Raumzeit und können zu Wurmlöchern in Form von verschränkten Schwarzen Löchern führen. Ihre Version ist jedoch kein interstellares Gateway.

"Es sind Wurmlöcher, mit denen man nicht schneller als mit Licht reisen kann", sagt Maldacena. "Allerdings können sie dir erlauben, jemanden im Inneren zu treffen, mit der kleinen Einschränkung, dass sie beide dann bei einer Gravitations-Singularität sterben würden."

OK, also schwarze Löcher sind ein Problem. Was kann dann ein Wurmloch sein? Avi Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics sagt, dass unsere Möglichkeiten weitreichend sind: "Da wir noch keine Theorie haben, die die allgemeine Relativitätstheorie zuverlässig mit der Quantenmechanik vereinigt, kennen wir nicht den gesamten Zoo möglicher Raumzeitstrukturen, die Platz bieten könnten Wurmlöcher. "

Es gibt immer noch ein Problem. Thorne fand in seiner Arbeit von 1987 heraus, dass jede Art von Wurmloch, das mit der allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt, zusammenbricht, es sei denn, es wird durch das, was er "exotische Materie" nennt, mit negativer Energie aufgestützt. Er argumentiert, dass wir durch Experimente Hinweise auf exotische Materie haben, die zeigen, wie Quantenfluktuationen in einem Vakuum einen Unterdruck zwischen zwei sehr nahe beieinander angeordneten Spiegeln zu erzeugen scheinen. Und Loeb glaubt, dass unsere Beobachtungen der dunklen Energie weitere Hinweise darauf sind, dass exotische Materie existieren könnte.

"Wir beobachten, dass in der jüngsten kosmischen Geschichte Galaxien mit einer Geschwindigkeit vor uns davonlaufen, die mit der Zeit zunimmt, als ob sie von der abstoßenden Schwerkraft angegriffen würden", sagt Loeb. "Diese beschleunigte Expansion des Universums kann erklärt werden, wenn das Universum mit einer Substanz gefüllt ist, die einen negativen Druck hat ... genau wie das Material, das zur Erzeugung eines Wurmlochs benötigt wird." Beide Physiker sind sich jedoch einig, dass Sie zu viel exotische Materie benötigen, damit sich ein Wurmloch jemals auf natürliche Weise bilden kann, und nur eine hoch entwickelte Zivilisation könnte jemals hoffen, genug davon zu sammeln, um ein Wurmloch zu stabilisieren.

Aber andere Physiker sind nicht überzeugt. "Ich denke, dass ein stabiles, durchquerbares Wurmloch sehr verwirrend wäre und mit den uns bekannten Gesetzen der Physik unvereinbar zu sein scheint", sagt Maldacena. Noch skeptischer ist Sabine Hossenfelder vom Nordischen Institut für Theoretische Physik in Schweden: "Wir haben absolut keinen Hinweis darauf, dass dies existiert. In der Tat wird allgemein angenommen, dass es nicht existieren kann, denn wenn dies der Fall wäre, wäre das Vakuum instabil." Selbst wenn exotische Materie verfügbar wäre, könnte es nicht schön sein, durch sie zu reisen. Die genauen Effekte würden von der Krümmung der Raumzeit um das Wurmloch und der Dichte der Energie im Inneren abhängen, sagt sie. "Es ist so ziemlich wie bei Schwarzen Löchern: Zu viele Gezeitenkräfte und man wird auseinandergerissen."

Trotz seiner Verbundenheit mit dem Film ist Thorne auch pessimistisch, dass ein durchquerbares Wurmloch überhaupt möglich ist, geschweige denn überlebensfähig. "Wenn sie existieren können, bezweifle ich sehr, dass sie sich im astrophysikalischen Universum auf natürliche Weise bilden können", schreibt er in dem Buch. Aber Thorne weiß es zu schätzen, dass Christopher und Jonah Nolan, die Interstellar geschrieben haben, sehr daran interessiert waren, eine wissenschaftlich fundierte Geschichte zu erzählen.

"Die Geschichte ist jetzt im Wesentlichen nur noch Chris und Jonahs", sagte Thorne Wired in einem exklusiven Interview. "Aber der Geist davon, das Ziel, einen Film zu haben, in dem Wissenschaft von Anfang an in den Stoff eingebettet ist - und es ist großartige Wissenschaft -, wurde bewahrt."