Spezielle Relativität. Es ist der Fluch von Weltraumforschern, Futuristen und Science-Fiction-Autoren, seit Albert Einstein es 1905 zum ersten Mal vorgeschlagen hat. Für diejenigen von uns, die davon träumen, dass der Mensch eines Tages eine interstellare Spezies wird, ist diese wissenschaftliche Tatsache wie eine nasse Decke. Glücklicherweise wurden einige theoretische Konzepte vorgeschlagen, die darauf hindeuten, dass Reisen mit Faster-Than-Light (FTL) eines Tages noch möglich sein könnten.
Ein beliebtes Beispiel ist die Idee eines Wurmlochs: einer spekulativen Struktur, die zwei entfernte Punkte in der Raumzeit verbindet, die eine interstellare Raumfahrt ermöglichen würden. Vor kurzem hat ein Team von Ivy League-Wissenschaftlern eine Studie durchgeführt das zeigte, wie „überquerbare Wurmlöcher“ tatsächlich Realität werden könnten. Die schlechte Nachricht ist, dass ihre Ergebnisse darauf hindeuten, dass diese Wurmlöcher nicht gerade Abkürzungen sind und das kosmische Äquivalent von „den langen Weg nehmen“ sein könnten!
Ursprünglich wurde die Theorie der Wurmlöcher als mögliche Lösung für die Feldgleichungen der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) vorgeschlagen. Kurz nachdem Einstein die Theorie 1915 veröffentlicht hatte, fanden die deutschen Physiker Karl Schwarzschild eine mögliche Lösung, die nicht nur die Existenz von Schwarzen Löchern vorhersagte, sondern auch von Korridoren, die sie verbinden.
Leider stellte Schwarzschild fest, dass jedes Wurmloch, das zwei Schwarze Löcher verbindet, zu schnell kollabieren würde, als dass irgendetwas von einem Ende zum anderen überqueren könnte. Sie könnten nur durchquert werden, wenn sie durch die Existenz exotischer Materie mit negativer Energiedichte stabilisiert würden. Daniel Jafferis , Thomas D. Cabot Associate Professor of Physics an der Harvard University, hatte eine andere Meinung.
Als er beschrieben seine Analyse während der 2019 April-Sitzung der American Physical Society in Denver, Colorado:
„Die Aussicht auf durchgängige Wurmlochkonfigurationen hat schon lange eine Faszination ausgelöst. Ich werde die ersten Beispiele beschreiben, die in einer UV-vollständigen Gravitationstheorie konsistent sind und keine exotische Materie beinhalten. Die Konfiguration beinhaltet eine direkte Verbindung zwischen den beiden Enden des Wurmlochs. Ich werde auch seine Auswirkungen auf die Quanteninformation in der Gravitation, das Informationsparadoxon schwarzer Löcher und seine Beziehung zur Quantenteleportation diskutieren.“
Für die Zwecke dieser Studie untersuchte Jafferis die Arbeit von Einstein und Nathan Rosen im Jahr 1935. Um die Arbeit von Schwarszchild und anderen Wissenschaftlern, die nach Lösungen für GR suchten, zu erweitern, schlugen sie die mögliche Existenz von „Brücken“ zwischen zwei entfernten Punkten in . vor Raumzeit (bekannt als „Einstein-Rosen-Brücken“ oder „Wurmlöcher“), die theoretisch erlauben könnte, dass Materie und Objekte zwischen ihnen hindurchgehen.
Bis 2013 wurde diese Theorie von den theoretischen Physikern Leonard Susskind und Juan Maldacena als mögliche Auflösung für GR und „Quantenverschränkung“ verwendet. Diese als ER=EPR-Vermutung bekannte Theorie legt nahe, dass Wurmlöcher der Grund dafür sind, dass sich ein Elementarteilchenzustand mit dem eines Partners verschränken kann, selbst wenn sie Milliarden von Lichtjahren voneinander entfernt sind.
Von hier aus entwickelte Jafferis seine Theorie und postulierte, dass Wurmlöcher tatsächlich von Lichtteilchen (auch Photonen genannt) durchquert werden könnten. Um dies zu testen, führte Jafferis mit Unterstützung von Ping Gao und Aron Wall (einem Harvard-Studenten bzw. einem Forscher der Stanford University) eine Analyse durch.
Sie fanden heraus, dass es zwar theoretisch möglich ist, ein Wurmloch mit Tannenlicht zu durchqueren, aber sie sind nicht gerade die kosmische Abkürzung, die wir uns alle erhofft hatten. Wie Jafferis in einem AIP erklärte Pressemitteilung , 'Es dauert länger, durch diese Wurmlöcher zu gelangen, als direkt zu gehen, daher sind sie für die Raumfahrt nicht sehr nützlich.'
Grundsätzlich zeigten die Ergebnisse ihrer Analyse, dass eine direkte Verbindung zwischen Schwarzen Löchern kürzer ist als die einer Wurmlochverbindung. Während dies für Leute, die von der Aussicht auf interstellare (und intergalaktische) Reisen eines Tages begeistert sind, sicherlich nach einer schlechten Nachricht klingt, ist die gute Nachricht, dass diese Theorie einige neue Einblicke in das Reich der Quantenmechanik bietet.
„Die wirkliche Bedeutung dieser Arbeit liegt in ihrer Beziehung zum Informationsproblem Schwarzer Löcher und den Verbindungen zwischen Gravitation und Quantenmechanik.“ genannt Jafferis. Das „Problem“, auf das er sich bezieht, ist bekannt als das Informationsparadox zum Schwarzen Loch , etwas, mit dem Astrophysiker seit 1975 zu kämpfen haben, als Stephen Hawking entdeckte, dass Schwarze Löcher eine Temperatur haben und langsam Strahlung (auch bekannt als Hawking-Strahlung) abgeben.
Dieses Paradoxon bezieht sich darauf, wie Schwarze Löcher in der Lage sind, alle Informationen zu speichern, die in sie eingehen. Obwohl jede Materie, die auf ihrer Oberfläche akkretiert wird, bis zum Punkt der Singularität komprimiert würde, würde der Quantenzustand der Materie zum Zeitpunkt ihrer Kompression dank der Zeitdilatation erhalten bleiben (sie wird in der Zeit eingefroren).
Aber wenn Schwarze Löcher in Form von Strahlung an Masse verlieren und schließlich verdampfen, geht diese Information irgendwann verloren. Durch die Entwicklung einer Theorie, durch die Licht durch ein Schwarzes Loch wandern kann, könnte diese Studie ein Mittel zur Auflösung dieses Paradoxons darstellen. Anstelle der Strahlung von Schwarzen Löchern, die einen Verlust an Masse-Energie darstellt, könnte es sein, dass Hawking-Strahlung tatsächlich aus einer anderen Region der Raumzeit kommt.
Es kann auch Wissenschaftlern helfen, die versuchen, eine Theorie zu entwickeln, die die Gravitation mit der Quantenmechanik vereint (auch bekannt als Quantengravitation oder „Theory of Everything“). Dies liegt an der Tatsache, dass Jafferis Werkzeuge der Quantenfeldtheorie verwendet hat, um die Existenz durchquerbarer Schwarzer Löcher zu postulieren, wodurch die Notwendigkeit exotischer Teilchen und negativer Masse (die mit der Quantengravitation unvereinbar erscheinen) überflüssig gemacht wurden. Als Jafferis erklärt :
„Es gibt eine kausale Untersuchung von Regionen, die sonst hinter einem Horizont gelegen hätten, ein Fenster zur Erfahrung eines Beobachters innerhalb einer Raumzeit, die von außen zugänglich ist. Ich denke, es wird uns tiefgreifende Dinge über die Entsprechung von Messgerät/Gravitation, Quantengravitation und vielleicht sogar einen neuen Weg zur Formulierung der Quantenmechanik lehren.“
Wie immer können Durchbrüche in der theoretischen Physik ein zweischneidiges Schwert sein, mit einer Hand geben und mit der anderen wegnehmen. Auch wenn diese Studie den Traum von FTL-Reisen vielleicht noch mehr ins kalte Wasser geworfen hat, könnte sie uns sehr gut helfen, einige der tieferen Geheimnisse des Universums zu lüften. Wer weiß? Vielleicht hilft uns ein Teil dieses Wissens, diesen Stolperstein, der als Spezielle Relativitätstheorie bekannt ist, zu umgehen!
Weiterlesen: Nachrichten , APS Physik
