Spezielle Relativität. Es ist der Fluch von Weltraumforschern, Futuristen und Science-Fiction-Autoren, seit Albert Einstein es 1905 zum ersten Mal vorschlug. Für diejenigen unter uns, die davon träumen, dass der Mensch eines Tages eine interstellare Spezies wird, ist diese wissenschaftliche Tatsache wie eine feuchte Decke. Glücklicherweise wurden einige theoretische Konzepte vorgeschlagen, die darauf hinweisen, dass Faster-Than-Light-Reisen (FTL) eines Tages möglicherweise noch möglich sind.
Ein beliebtes Beispiel ist die Idee eines Wurmlochs: eine spekulative Struktur, die zwei entfernte Punkte in der Raumzeit miteinander verbindet und eine interstellare Raumfahrt ermöglicht. Kürzlich führte ein Team von Wissenschaftlern der Ivy League eine Studie durch, die zeigte, wie „durchquerbare Wurmlöcher“ tatsächlich Realität werden können. Die schlechte Nachricht ist, dass ihre Ergebnisse darauf hinweisen, dass diese Wurmlöcher nicht genau Abkürzungen sind und das kosmische Äquivalent von "den langen Weg gehen" sein könnten!
Ursprünglich wurde die Theorie der Wurmlöcher als mögliche Lösung für die Feldgleichungen von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) vorgeschlagen. Kurz nachdem Einstein die Theorie 1915 veröffentlicht hatte, fand der deutsche Physiker Karl Schwarzschild eine mögliche Lösung, die nicht nur die Existenz von Schwarzen Löchern vorhersagte, sondern auch Korridore, die sie verbinden.
Leider stellte Schwarzschild fest, dass jedes Wurmloch, das zwei Schwarze Löcher verbindet, zu schnell zusammenbrechen würde, als dass irgendetwas von einem Ende zum anderen gelangen könnte. Sie könnten nur durchquert werden, wenn sie durch die Existenz exotischer Materie mit negativer Energiedichte stabilisiert würden. Daniel Jafferis, Associate Professor für Physik an der Harvard University bei Thomas D. Cabot, sah das anders.
Wie er seine Analyse während des Treffens der American Physical Society im April 2019 in Denver, Colorado, beschrieb:
„Die Aussicht auf durchquerbare Wurmlochkonfigurationen war lange Zeit eine Quelle der Faszination. Ich werde die ersten Beispiele beschreiben, die in einer UV-vervollständigbaren Gravitationstheorie ohne exotische Materie konsistent sind. Die Konfiguration beinhaltet eine direkte Verbindung zwischen den beiden Enden des Wurmlochs. Ich werde auch seine Auswirkungen auf die Quanteninformation in der Schwerkraft, das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs 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 vor Raumzeit (bekannt als „Einstein-Rosen-Brücken“ oder „Wurmlöcher“), die theoretisch den Durchgang von Materie und Objekten zwischen ihnen ermöglichen könnte.
Bis 2013 wurde diese Theorie von den theoretischen Physikern Leonard Susskind und Juan Maldacena als mögliche Lösung für GR und „Quantenverschränkung“ verwendet. Diese als ER = EPR-Vermutung bekannte Theorie legt nahe, dass Wurmlöcher der Grund sind, warum sich ein Elementarteilchenzustand mit dem eines Partners verwickeln kann, selbst wenn sie durch Milliarden von Lichtjahren getrennt 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 (ein Harvard-Doktorand bzw. ein Wissenschaftler der Stanford University) eine Analyse durch.
Was sie fanden, war, dass es zwar theoretisch möglich ist, ein Wurmloch mit Tannenlicht zu durchqueren, sie aber nicht genau die kosmische Abkürzung sind, auf die wir alle gehofft hatten. Wie Jafferis in einer Presseerklärung der AIP erklärte: „Es dauert länger, diese Wurmlöcher zu überwinden, 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 Menschen, die von der Aussicht auf interstellare (und intergalaktische) Reisen eines Tages begeistert sind, sicherlich eine schlechte Nachricht ist, ist die gute Nachricht, dass diese Theorie neue Einblicke in den Bereich der Quantenmechanik bietet.
"Die eigentliche Bedeutung dieser Arbeit liegt in ihrer Beziehung zum Informationsproblem des Schwarzen Lochs und den Verbindungen zwischen Schwerkraft und Quantenmechanik", sagte Jafferis. Das „Problem“, auf das er sich bezieht, ist als Black Hole Information Paradox bekannt, mit dem Astrophysiker seit 1975 zu kämpfen haben, als Stephen Hawking entdeckte, dass Schwarze Löcher eine Temperatur haben und langsam Strahlung austreten (auch bekannt als Hawking-Strahlung).
Dieses Paradoxon bezieht sich darauf, wie Schwarze Löcher alle Informationen, die in sie gelangen, bewahren können. Obwohl jede auf ihrer Oberfläche angesammelte Materie bis zur Singularität komprimiert würde, würde der Quantenzustand der Materie zum Zeitpunkt ihrer Komprimierung dank der Zeitdilatation erhalten bleiben (sie wird mit der Zeit eingefroren).
Wenn jedoch Schwarze Löcher in Form von Strahlung an Masse verlieren und schließlich verdampfen, gehen diese Informationen schließlich verloren. Durch die Entwicklung einer Theorie, durch die Licht durch ein Schwarzes Loch wandern kann, könnte diese Studie ein Mittel zur Lösung dieses Paradoxons darstellen. Anstelle von Strahlung von Schwarzen Löchern, die einen Verlust an Massenenergie darstellt, könnte es sein, dass Hawking Radiation tatsächlich aus einer anderen Region der Raumzeit stammt.
Es kann auch Wissenschaftlern helfen, die versuchen, eine Theorie zu entwickeln, die die Schwerkraft mit der Quantenmechanik vereint (auch bekannt als Quantengravitation oder „Theorie von allem“). Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Jafferis quantenfeldtheoretische Werkzeuge verwendete, um die Existenz von durchquerbaren Schwarzen Löchern zu postulieren, wodurch die Notwendigkeit exotischer Teilchen und negativer Masse (die mit der Quantengravitation unvereinbar zu sein scheinen) beseitigt wurde. Wie Jafferis erklärte:
„Es gibt eine kausale Sonde für Regionen, die sich sonst hinter einem Horizont befunden hätten, ein Fenster zur Erfahrung eines Beobachters innerhalb einer Raumzeit, die von außen zugänglich ist. Ich denke, es wird uns tiefe Dinge über die Korrespondenz zwischen Messgerät und Schwerkraft, die Quantengravitation und vielleicht sogar eine neue Art der Formulierung der Quantenmechanik lehren. “
Wie immer können Durchbrüche in der theoretischen Physik ein zweischneidiges Schwert sein, das mit einer Hand gibt und mit der anderen wegnimmt. Während diese Studie den Traum vom FTL-Reisen mit mehr kaltem Wasser beworfen hat, könnte sie uns sehr gut helfen, einige der tieferen Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln. Wer weiß? Vielleicht können wir mit etwas von diesem Wissen einen Weg finden, um diesen Stolperstein zu umgehen, der als Spezielle Relativitätstheorie bekannt ist!
