Wurmloch: Geschichte, Theorie, Typen, Ausbildung, Zeitreise

Ein Wurmloch in der Astrophysik und Kosmologie ist ein Durchgang, der zwei Punkte im Gefüge der Raumzeit verbindet. So wie der fallende Apfel die Gravitationstheorie von Isaac Newton im Jahr 1687 inspirierte, haben die Würmer, die die Äpfel durchbohren, auch im Rahmen der Gravitation neue Theorien inspiriert.

So wie der Wurm durch einen Tunnel einen anderen Punkt auf der Oberfläche des Blocks erreicht, sind Raum-Zeit-Wurmlöcher theoretische Abkürzungen, die es ermöglichen, in kürzerer Zeit zu entfernten Orten im Universum zu gelangen.

Es ist eine Idee, die die Vorstellungskraft vieler erfasst hat und auch weiterhin erfasst. In der Zwischenzeit sind Kosmologen damit beschäftigt, nach Wegen zu suchen, um ihre Existenz zu beweisen. Aber im Moment sind sie immer noch Gegenstand von Spekulationen.

Um das Verständnis von Wurmlöchern, die Möglichkeit, durch sie hindurch zu reisen, und die Unterschiede zwischen Wurmlöchern und Schwarzen Löchern ein Stück näher zu bringen, müssen wir uns in den Begriff der Raumzeit einordnen.

Was ist Raumzeit?

Das Konzept der Raumzeit ist eng mit dem des Wurmlochs verbunden. Deshalb ist es notwendig, zunächst festzustellen, was es ist und was sein Hauptmerkmal ist.

In der Raumzeit findet jedes Ereignis im Universum statt. Und das Universum wiederum ist die Gesamtheit der Raum-Zeit, die in der Lage ist, alle Formen von Materie-Energie aufzunehmen und mehr ...

Wenn der Freund die Freundin trifft, ist es ein Ereignis, aber dieses Ereignis hat einige räumliche Koordinaten: den Ort des Treffens. Und eine zeitliche Koordinate: Jahr, Monat, Tag und Stunde des Treffens.

Die Geburt eines Sterns oder die Explosion einer Supernova sind ebenfalls Ereignisse, die in der Raumzeit stattfinden.

In einer Region des Universums, die frei von Masse und Wechselwirkungen ist, ist die Raumzeit flach. Dies bedeutet, dass zwei Lichtstrahlen, die parallel beginnen, sich so fortsetzen, solange sie in dieser Region verbleiben. Übrigens ist die Zeit für einen Lichtstrahl ewig.

Natürlich ist die Raumzeit nicht immer flach. Das Universum enthält Objekte mit einer Masse, die die Raumzeit verändert und eine Raumzeitkrümmung auf einer universellen Skala erzeugt.

Es war Albert Einstein selbst, der in einem Moment der Inspiration feststellte, dass er "die glücklichste Idee in meinem Leben" nannte, dass ein beschleunigter Beobachter lokal nicht von jemandem zu unterscheiden ist, der sich in der Nähe eines massiven Objekts befindet. Es ist das berühmte Prinzip der Äquivalenz.

Und ein beschleunigter Beobachter krümmt die Raumzeit, dh die euklidische Geometrie ist nicht mehr gültig. Daher ist in der Umgebung eines massiven Objekts wie eines Sterns, eines Planeten, einer Galaxie, eines Schwarzen Lochs oder des Universums selbst die Raumzeit gekrümmt.

Diese Krümmung wird vom Menschen als eine Kraft wahrgenommen, die man Schwerkraft nennt, täglich, aber gleichzeitig mysteriös.

Die Schwerkraft ist so rätselhaft wie die Kraft, die uns nach vorne treibt, wenn der Bus, mit dem wir fahren, abrupt anhält. Es ist, als ob plötzlich etwas Unsichtbares, Dunkles und Massives vor uns stand, uns anzog und uns plötzlich vorwärts drückte.

Die Planeten bewegen sich elliptisch um die Sonne, weil die Masse dieser eine Vertiefung in der Raum-Zeit-Oberfläche erzeugt, die bewirkt, dass die Planeten ihre Flugbahnen krümmen. Ein Lichtstrahl krümmt seine Flugbahn auch nach der von der Sonne erzeugten Raum-Zeit-Depression.

Tunnel durch Raum - Zeit

Wenn die Raumzeit eine gekrümmte Fläche ist, hindert im Prinzip nichts einen Bereich daran, sich durch einen Tunnel miteinander zu verbinden. Das Durchqueren eines solchen Tunnels würde nicht nur einen Ortswechsel bedeuten, sondern auch die Möglichkeit bieten, zu einer anderen Zeit zu fahren.

Diese Idee hat viele Bücher, Serien und Science-Fiction-Filme inspiriert, darunter die berühmte amerikanische Serie der sechziger Jahre "The tunnel of time" und in jüngerer Zeit "Deep Space 9" der Star Trek-Reihe und des Interstellar-Films 2014.

Die Idee kam von demselben Einstein, der nach Lösungen für die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie suchte und mit Nathan Rosen eine theoretische Lösung fand, die es ermöglichte, zwei verschiedene Regionen der Raum-Zeit durch einen Tunnel zu verbinden, der als Abkürzung fungierte.

Diese Lösung ist als Einstein-Rosen-Brücke bekannt und taucht in einem 1935 veröffentlichten Werk auf.

Der Begriff "Wurmloch" wurde jedoch erstmals 1957 verwendet, dank der theoretischen Physiker John Wheeler und Charles Misner in einer Veröffentlichung dieses Jahres. Zuvor war von "eindimensionalen Rohren" die Rede gewesen, um auf dieselbe Idee Bezug zu nehmen.

Später im Jahr 1980 schrieb Carl Sagan den Science-Fiction-Roman "Contact", aus dem später ein Film entstand. Die Protagonistin namens Elly entdeckt in 25.000 Lichtjahren Entfernung intelligentes außerirdisches Leben. Carl Sagan wollte, dass Elly dorthin reist, aber auf wissenschaftlich glaubwürdige Weise.

25.000 Lichtjahre entfernt zu sein, ist für einen Menschen keine leichte Aufgabe, es sei denn, man sucht nach einer Abkürzung. Ein Schwarzes Loch kann keine Lösung sein, da bei Annäherung an die Singularität die unterschiedliche Schwerkraft das Schiff und seine Besatzung zerreißen würde.

Auf der Suche nach anderen Möglichkeiten konsultierte Carl Sagan einen der wichtigsten Experten des Schwarzen Lochs der Zeit: Kip Thorne, der über die Angelegenheit nachdachte und erkannte, dass Einstein-Rosen-Brücken oder Wurmlöcher waren Wheeler war die Lösung.

Thorne bemerkte jedoch auch, dass die mathematische Lösung instabil war, das heißt, der Tunnel öffnet sich, aber in kurzer Zeit erwürgt er sich und verschwindet.

Die Instabilität von Wurmlöchern

Können mit Wurmlöchern große Entfernungen in Raum und Zeit zurückgelegt werden?

Seit ihrer Entstehung haben Wurmlöcher in zahlreichen Science-Fiction-Plots dazu gedient, ihre Protagonisten an entlegene Orte zu bringen und die Paradoxien der nichtlinearen Zeit zu erleben.

Kip Thorne fand zwei mögliche Lösungen für das Problem der Instabilität von Wurmlöchern:

  • Durch den sogenannten Quantenschaum . Auf der Planck-Skala (10-35 m) gibt es Quantenfluktuationen, die zwei Regionen der Raumzeit durch Mikrotunnel verbinden können. Eine sehr fortgeschrittene hypothetische Zivilisation könnte einen Weg finden, die Passagen zu verbreitern und lang genug zu halten, damit ein Mensch sie passieren kann.
  • Negative Massenmaterie. Nach den Berechnungen, die Thorne 1990 selbst veröffentlicht hatte, würde es enorme Mengen dieser seltsamen Materie erfordern, die Enden des Wurmlochs offen zu halten.

Das Bemerkenswerte an dieser letzten Lösung ist, dass es im Gegensatz zu Schwarzen Löchern keine Singularität oder Quantenphänomene gibt und der Durchgang von Menschen durch diese Art von Tunnel möglich wäre.

Auf diese Weise könnten Wurmlöcher nicht nur entfernte Regionen im Raum verbinden, sondern auch zeitlich voneinander getrennt werden. Deshalb sind sie Maschinen, die in der Zeit reisen.

Stephen Hawking, die große Referenz der Kosmologie des späten 20. Jahrhunderts, glaubte aufgrund der vielen Paradoxien und Widersprüche, die sich daraus ergeben, weder an Machbarkeit noch an Wurmlöcher oder Zeitmaschinen.

Das hat die Stimmung anderer Forscher nicht gemindert, die die Möglichkeit angedeutet haben, dass zwei Schwarze Löcher in verschiedenen Bereichen der Raumzeit durch ein Wurmloch miteinander verbunden sind.

Obwohl dies für die Raum - Zeit - Reisen nicht praktikabel wäre, gäbe es abgesehen von den Schwierigkeiten, die den Eintritt in die Singularität des Schwarzen Lochs bedeuten würden, keine Möglichkeit, am anderen Ende abzureisen, da es sich um ein weiteres Schwarzes Loch handelt.

Unterschiede zwischen Schwarzen Löchern und Wurmlöchern

Wenn man von einem Wurmloch spricht, denkt man auch sofort an Schwarze Löcher.

Ein Schwarzes Loch entsteht auf natürliche Weise nach der Entwicklung und dem Tod eines Sterns mit einer bestimmten kritischen Masse.

Es entsteht, nachdem der Stern seinen Kernbrennstoff erschöpft hat und sich aufgrund seiner eigenen Schwerkraft irreversibel zusammenzieht. Es setzt sich unablässig fort, bis es einen solchen Zusammenbruch verursacht, dass nichts weniger als der Radius des Ereignishorizonts entweichen kann, nicht einmal Licht.

Im Vergleich dazu ist ein Wurmloch ein außergewöhnliches Ereignis, eine Folge einer hypothetischen Anomalie in der Krümmung der Raum-Zeit. Theoretisch ist es möglich, sie zu durchlaufen.

Wenn jedoch jemand versuchte, durch ein Schwarzes Loch zu gelangen, würde die intensive Schwerkraft und die extreme Strahlung in der Nähe der Singularität es in einen dünnen Faden subatomarer Teilchen verwandeln.

Es gibt indirekte Beweise und erst in jüngster Zeit direkte Beweise für die Existenz von Schwarzen Löchern. Zu diesen Nachweisen gehört die Emission und Detektion von Gravitationswellen durch Anziehung und Rotation zweier kolossaler Schwarzer Löcher, die vom LIGO-Gravitationswellenobservatorium detektiert wurden.

Es gibt Hinweise darauf, dass sich im Zentrum großer Galaxien wie in unserer Milchstraße ein supermassives Schwarzes Loch befindet.

Die schnelle Rotation der Sterne in der Nähe des Zentrums sowie die enorme Menge an hochfrequenter Strahlung, die von ihm ausgeht, sind indirekte Beweise dafür, dass es ein riesiges Schwarzes Loch gibt, das die Anwesenheit dieser Phänomene erklärt.

Erst am 10. April 2019 wurde der Welt das erste Foto eines supermassiven Schwarzen Lochs (7000 Millionen Mal die Masse der Sonne) gezeigt, das sich in einer weit entfernten Galaxie befindet: Messier 87 im Sternbild Jungfrau, zu 55 Millionen von Lichtjahren von der Erde.

Dieses Foto eines Schwarzen Lochs wurde dank des weltweiten Teleskopnetzwerks "Event Horizon Telescope" ermöglicht, an dem mehr als 200 Wissenschaftler aus der ganzen Welt teilnahmen.

Von den Wurmlöchern gibt es bisher keine Hinweise. Wissenschaftler waren in der Lage, ein Schwarzes Loch zu entdecken und aufzuspüren, mit Wurmlöchern war dies jedoch nicht möglich.

Daher sind sie hypothetische Objekte, obwohl theoretisch machbar, da sie früher auch Schwarze Löcher waren.

Vielzahl / Arten von Wurmlöchern

Obwohl sie noch nicht entdeckt wurden oder vielleicht gerade deshalb, haben sie sich verschiedene Möglichkeiten für Wurmlöcher vorgestellt. Alle sind theoretisch machbar, da sie Einsteins Gleichungen für die allgemeine Relativitätstheorie erfüllen. Hier sind einige:

  • Wurmlöcher, die zwei räumlich-zeitliche Regionen desselben Universums verbinden.
  • Wurmlöcher, die ein Universum mit einem anderen Universum verbinden können.
  • Brücken von Einstein-Rosen, in denen Materie von einer Öffnung zur anderen gelangen könnte. Obwohl dieser Schritt der Materie eine Instabilität verursachen würde, würde der Tunnel auf sich selbst zusammenbrechen.
  • Das Wurmloch von Kip Thorne mit einer kugelförmigen Hülle aus negativer Materie. Es ist in beide Richtungen stabil und atravesable.
  • Das sogenannte Schwarzschild-Wurmloch besteht aus zwei miteinander verbundenen statischen Schwarzen Löchern. Sie sind nicht überfahrbar, da Materie und Licht zwischen beiden Enden eingeschlossen sind.
  • Wurmlöcher mit Last und / oder Rotation oder Kerr, bestehend aus zwei intern verbundenen dynamischen Schwarzen Löchern, die in einer Richtung verfahrbar sind.
  • Quanten-Raum-Zeit-Schaum, dessen Existenz auf subatomarer Ebene theoretisiert wird. Der Schaum besteht aus sehr instabilen subatomaren Tunneln, die verschiedene Bereiche verbinden. Um sie zu stabilisieren und zu erweitern, müsste ein Plasma aus Quarks und Gluonen erzeugt werden, das für ihre Erzeugung nahezu unendlich viel Energie benötigt.
  • In jüngerer Zeit wurde dank der Stringtheorie eine Theorie über Wurmlöcher aufgestellt, die von kosmischen Strings getragen werden.
  • Schwarze Löcher verflochten sich und trennten sich, woraus ein Raum-Zeit-Loch oder eine Einstein-Rosen-Brücke entsteht, die durch die Schwerkraft zusammengehalten wird. Es ist eine theoretische Lösung, die im September 2013 von den Physikern Juan Maldacena und Leonard Susskind vorgeschlagen wurde.

Alle sind durchaus möglich, da sie nicht im Widerspruch zu Einsteins allgemeinen Relativitätsgleichungen stehen.

Kann man eines Tages Wurmlöcher sehen?

Schwarze Löcher waren lange Zeit theoretische Lösungen für Einsteins Gleichungen. Einstein selbst stellte die Möglichkeit in Frage, dass sie jemals von der Menschheit entdeckt werden könnten.

So blieben die Schwarzen Löcher lange Zeit eine theoretische Vorhersage, bis sie gefunden und lokalisiert wurden. Wissenschaftler hegen die gleiche Hoffnung auf Wurmlöcher.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass sie auch dort sind, aber sie haben noch nicht gelernt, sie zu lokalisieren. Obwohl einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung zufolge, würden Wurmlöcher auch mit Teleskopen Spuren und Schatten hinterlassen.

Es wird angenommen, dass sich Photonen um das Wurmloch bewegen und einen leuchtenden Ring erzeugen. Die nächsten Photonen fallen hinein und hinterlassen einen Schatten, der sie von Schwarzen Löchern unterscheidet.

Laut Rajibul Shaikh, einem Physiker am Tata-Institut für Grundlagenforschung in Mumbai in Indien, würde eine Art rotierendes Wurmloch einen größeren und verzogenen Schatten erzeugen als ein Schwarzes Loch.

In seiner Arbeit hat Shaikh die theoretischen Schatten untersucht, die von einer bestimmten Klasse rotierender Wurmlöcher projiziert werden, wobei er sich auf die entscheidende Rolle konzentriert, die der Hals des Lochs für die Bildung eines Photonenschattens spielt, der es identifiziert und von einem Schwarzen Loch unterscheidet.

Shaikh hat auch die Abhängigkeit des Schattens von der Rotation des Wurmlochs analysiert und mit dem Schatten verglichen, der von einem rotierenden schwarzen Loch von Kerr projiziert wird. Dabei wurden signifikante Unterschiede festgestellt. Es ist eine völlig theoretische Arbeit.

Abgesehen davon bleiben Wurmlöcher vorerst als mathematische Abstraktionen erhalten, aber es ist möglich, dass man sie sehr bald sehen kann. Was am anderen Extrem ist, bleibt vorerst Gegenstand von Vermutungen.