CL045 Dimensionsportale und parallele Welten! Wurmlöcher in der Science Fiction

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Pünktlich zu Halloween macht sich Cosmic Latte auf den Weg in andere Dimensionen, durch Tunnel in Raum und Zeit und in andere Welten. Dabei landen wir (fast) in der Hölle und diskutieren unterwegs darüber, wie wissenschaftlich die Darstellungen von Wurmlöchern und Dimensionsportale in der Science Fiction sind. Und wie immer wenn es um Science Fiction geht, ist der Drehbuchautor Peter Koller zu Gast.

Wurmlöcher in der Science Fiction und die Wissenschaft dahinter

In den bisherigen Science-Fiction-Specials hat Eva mit Regisseur und Drehbuchautor Peter Koller bereits den Bau von Zeitmaschinen, den (möglichen) Erstkontakt mit Außerirdischen und auch den Weltuntergang in Film und Wissenschaft beleuchtet. In unserem vierten Special tauchen wir in die Welt der Wurmlöcher ein, die als Tunnel durch die Raumzeit interstellare Reisen (zumindest im Film) ermöglichen - faszinierende Strukturen, die Science-Fiction-Filme und -Serien als Abkürzungen durch Raum und Zeit nutzen. Aber nicht nur Science-Fiction-Autoren, sondern auch die Wissenschaft lässt sich von diesem Konzept inspirieren.

Was sind Wurmlöcher?

Der erste Ansatz für ein Wurmloch findet sich in einer Arbeit des österreichischen Physikers Ludwig Flamm von der Universität Wien aus dem Jahr 1916. Albert Einstein und Nathan Rosen beschrieben das Konzept 1935 genauer, weshalb Wurmlöcher in der Fachliteratur auch "Einstein-Rosen-Brücken" genannt werden. Wurmlöcher sind in der Science-Fiction sehr beliebt. Man kann sie sich wie eine Abkürzung vorstellen, wie einen Tunnel durch einen Berg, oder wie ein Loch, das ein Wurm in der Mitte eines Apfels gefressen hat - daher übrigens der Name, der 1957 von John Wheeler geprägt wurde (der auch den Namen "Schwarzes Loch" erfand).

Wenn wir durch ein Wurmloch reisen, könnten wir also (theoretisch) schneller als das Licht reisen, ohne ein Naturgesetz zu brechen. Denn interstellares Reisen ist, zumindest für uns Menschen, mit zwei großen Problemen verbunden:

Erstens sind die kosmischen Entfernungen in menschlichen Zeitmaßstäben nicht zu bewältigen. Die Sonne ist 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt (das entspricht 8 Lichtminuten oder einer "Astronomischen Einheit"), unser Nachbarstern Proxima Centauri ist bereits 4,2 Lichtjahre oder 39.900 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt, zum Zentrum der Milchstraße sind es schon 26.000 Lichtjahre und zu den Magellanschen Wolken 160.000 bzw. 210.000 Lichtjahre - und das ist nur unsere „galaktische Nachbarschaft“.

Um diese Entfernungen zu unseren Lebzeiten zu überwinden, müssten wir schneller als das Licht reisen - und genau hier liegt das Problem. Denn nach den Gesetzen der Physik kann nichts schneller sein als das Licht. Bei 299792,458 km/s ist die Grenze erreicht, Überlichtgeschwindigkeit ist nicht möglich.

Wurmlöcher wären eine praktische Lösung für diese Probleme, sind aber bisher rein theoretische, mathematische Gebilde. Sie existieren bisher nur als mathematische Lösungen der Relativitätstheorie und wurden noch nicht experimentell nachgewiesen. Eine einfache Lösung der Einsteinschen Gleichungen ist die Schwarzschild-Lösung, die das Gravitationsfeld einer kugelförmigen, ungeladenen und nicht rotierenden Masse beschreibt. Für Objekte, die zu einem Schwarzen Loch kollabieren, reicht die Schwarzschild-Lösung jedoch nicht aus - es treten sogenannte Singularitäten auf. Die Wurmlöcher der Allgemeinen Relativitätstheorie sind jedoch sehr instabil. Ohne Quantenverschränkung würden sie sofort kollabieren sobald sich ihnen ein Teilchen nähert, noch bevor es sie durchqueren könnte. Diese Instabilität ist eine der größten Schwierigkeiten, ein Wurmloch offen für eine Durchquerung zu halten.

Für große, passierbare Wurmlöcher, wie sie in Science-Fiction-Filmen verwendet werden, bräuchte man eine bizarre Materie mit negativer Energiedichte (sie müsste antigravitativ wirken), die es nicht gibt bzw. kennen wir keine Materie, die diese Eigenschaften besitzt.
Der Astrophysiker Kip Thorne berechnete, dass für ein Wurmloch von einem Meter Durchmesser exotische Materie von der Masse des Jupiter erforderlich wäre.
1988 stellten Kip Thorne und Michael Morris in ihrem Aufsatz Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel neun Regeln für ein passierbares Wurmloch auf:

• Statische Stabilität: Wurmlöcher müssen stabil und unveränderlich sein, damit sie sicher durchquert werden können.
• Einhaltung der Relativitätstheorie: Wurmlöcher müssen den physikalischen Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie gehorchen.
• Asymptotische Flachheit: Der Hals des Wurmlochs sollte flache Regionen der Raumzeit miteinander verbinden.
• Kein Ereignishorizont: Ein passierbares Wurmloch darf keinen Horizont haben, damit man nicht darin gefangen bleibt.
• Geringe Gravitationskräfte: Die Gravitation innerhalb des Wurmlochs muss gering sein, um eine „Spaghettifizierung“ zu vermeiden.
• Kurze Durchquerungszeit: Die Reisezeit durch das Wurmloch sollte minimal sein, im Idealfall kürzer als der konventionelle Weg.
• Erreichbare Materie: Das Wurmloch muss aus Materie bestehen, die im Universum existiert - exotische Materie mit negativer Energiedichte ist notwendig, aber bisher nicht nachweisbar.
• Stabilität: Das Wurmloch muss stabil genug sein, um eine sichere Passage zu gewährleisten.
• Praktische Konstruktion: Der Bau eines Wurmlochs sollte im Rahmen der Zeit und der Ressourcen des Universums machbar sein.

Quantenverschränkte Wurmlöcher könnten das Problem der exotischen Materie lösen: Hier wird postuliert, dass Wurmlöcher (Einstein-Rosen-Brücken, ER) und quantenverschränkte Teilchenpaare (Einstein-Podolsky-Rosen-Paar, EPR) miteinander verbunden sind. Die ER-EPR-Vermutung von Juan Maldacena und Leonard Susskind benötigt keine exotische Materie mehr und würde auch das Informationsparadoxon der Schwarzen Löcher lösen. Wurmlöcher könnten demnach als kausale Verbindungen fungieren, durch die Informationen mittels Quantenverschränkung übertragen werden.

Trotz dieser theoretischen Grundlagen bleibt die Existenz stabiler, durchquerbarer Wurmlöcher spekulativ. Forscher wie Daniel R. Terno zeigen in aktuellen Studien, dass sphärisch-symmetrische Wurmlöcher die Quanten-Energie-Ungleichungen verletzen und daher in der semiklassischen Gravitation instabil sind.

Im Gegensatz zu den meisten Filmen sehen Wurmlöcher auch nicht wie ein Abfluss oder ein Loch aus, sondern sind kugelförmig und eher mit einer Seifenblase zu vergleichen. Der Film "Interstellar" zeigt das Wurmloch wissenschaftlich korrekt als kugelförmige Verzerrung im Raum.

Und: Die Kurzgeschichte von Stephen King mit der Teleportation, die Peter erwähnt, ist "The Jaunt".

Alle Filme die in dieser Folge erwähnt werden:

• Powers of Ten
• Interstellar
• 2001: A Space Odyssey
• Contact
• Inception
• 12 Monkeys
• Tenet
• Stargate
• The Abyss
• Monsters, Inc.
• Toy Story
• Doctor Strange in the Multiverse of Madness
• Coraline
• Alice in Wonderland
• Hostile Dimensions
• Event Horizon
• Smile 2
• Dead Calm
• From Beyond
• Sliders
• Star Trek: Mirror, Mirror

Links und weiterführende Informationen:

• Inaccessibility of traversable wormholes von Daniel R. Terno
• BBC Podcast In our time: Wormholes

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