Die Suche nach Wurmlöchern kann beginnen

 Ein Wurmloch bildet eine Abkürzung zwischen zwei weit voneinander entfernten Orten im Universum. Unser Universum ist hier als zweidimensionale Fläche dargestellt, die in der dritten Dimension gekrümmt ist. Ein Lichtstrahl (rote Linie) folgt dieser Krümmung. Seine Länge ist gleichzeitig die Entfernung zwischen den beiden Punkten, die durch ihn verbunden werden. Lichtstrahlen, die das Wurmloch durchqueren (orange und gelb) haben nur einen viel kürzeren Weg zurückzulegen. Damit das Wurmloch nicht zusammenfällt, muss sein „Schlund“ mit negativer Energie (blau) ausgekleidet sein. Bildquelle: Wikipedia
Ein Wurmloch bildet eine Abkürzung zwischen zwei weit voneinander entfernten Orten im Universum. Unser Universum ist hier als zweidimensionale Fläche dargestellt, die in der dritten Dimension gekrümmt ist. Ein Lichtstrahl (rote Linie) folgt dieser Krümmung. Seine Länge ist gleichzeitig die Entfernung zwischen den beiden Punkten, die durch ihn verbunden werden. Lichtstrahlen, die das Wurmloch durchqueren (orange und gelb) haben nur einen viel kürzeren Weg zurückzulegen. Damit das Wurmloch nicht zusammenfällt, muss sein „Schlund“ mit negativer Energie (blau) ausgekleidet sein. Bildquelle: Wikipedia
In der Science-Fiction-Serie "Star Trek: Deep Space Nine" dient ein Wurmloch als Abkürzung zwischen zwei weit entfernten Orten im Universum. In der Realität ist solch ein Wurmloch noch nie beobachtet worden. Doch die Existenz solch einer abkürzenden Raumzeit-Verbindung wird von der Physik nicht ausgeschlossen. Als möglich gilt beispielsweise, dass mit dem Urknall mikroskopisch kleine Wurmlöcher entstanden sind, die sich zu riesigen schlauchartigen Objekten aufblähten, während das Universum sich schlagartig ausdehnte. Alexander Shatskiy vom Lebedev Physical Institute in Moskau hat jetzt gezeigt, dass Astronomen solche Wurmlöcher eindeutig von Schwarzen Löchern unterscheiden können, wenn sie tatsächlich eines finden sollten. Das russische Weltraumteleskop Millimetron soll ab dem Jahr 2016 unter anderem nach solchen Wurmlöchern Ausschau halten.
Der Begriff "Wurmloch" hätte anschaulicher kaum gewählt werden können. Stellt man sich den dreidimensionalen Raum des Universums als die zweidimensionale Oberfläche eines Apfels vor, dann können wir als die Bewohner dieser Fläche nur auf die andere Seite des Apfels gelangen, indem wir der gekrümmten Oberfläche folgen. Der direkte gerade Weg durch den Apfel hindurch ist versperrt – jedoch nicht einem Wurm, der sich durch den Apfel hindurchfrisst.

Wir kennen bisher keine Möglichkeit, uns "durch den Apfel zu fressen", also ein Wurmloch künstlich zu erzeugen, um es dann als Abkürzung durch die Raumzeit zu benutzen. Jedoch ist es nach derzeitigem Wissensstand nicht ausgeschlossen, dass beim Urknall mikroskopisch kleine Wurmlöcher aus zufälligen Quantenfluktuationen entstanden sind. Denn eine konsequente Anwendung der Quantentheorie fordert, dass der Raum auf mikroskopischer Ebene "fluktuiert". Das bedeutet, dass er sich in etwa so verhält wie Seifenschaum: Verbindungen zwischen Schaumbläschen können sich lösen und neue können entstehen. Bei dieser Analogie haben wir allerdings wieder eine Dimension weggelassen. Dem dreidimensionalen Raum entspricht die Oberfläche der Schaumbläschen.

Diese Fluktuationen geschehen bei derartig kleinen Abständen, dass sie unter normalen Umständen keinerlei spürbare Auswirkungen haben – es sei denn, der Raum würde um einen ungeheuren Betrag ausgedehnt. Genau solch eine Inflationsphase hat es nach der weitgehend akzeptierten Inflationstheorie kurz nach dem Urknall gegeben. Auf diese Weise könnten einige dieser winzigen Wurmlöcher zu riesigen Objekten aufgeblasen worden sein und heute im Universum fortbestehen.

Doch aus Einsteins Relativitätstheorie folgt, dass das Fortbestehen eines Wurmloches an das Vorhandensein von negativer Energie geknüpft ist. Ohne negative Energie fällt ein Wurmloch so schnell zusammen, dass nicht einmal ein Lichtstrahl es durchqueren kann. Ob es überhaupt negative Energie gibt, ist zwar nicht gesichert, es gibt jedoch indirekte Nachweise ihrer Existenz, beispielsweise den so genannten Casimir-Effekt.

Bei diesem im Jahr 1948 von dem niederländischen Physiker Hendrik Casimir (1909-2000) vorhergesagtem und inzwischen vielfach experimentell bestätigtem Effekt werden zwei elektrisch leitende Platten parallel in sehr geringem Abstand nebeneinander gesetzt. Dabei wirken keinerlei äußeren Kräfte auf die Platten. Trotzdem ziehen sie sich an. Eine Erklärung dafür liefert die Quantenfeldtheorie: Im Vakuum werden fortwährend Teilchen erzeugt und wieder vernichtet. Denn gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation kann die zur Erzeugung eines Teilchens benötigte Energie kurzzeitig "ausgeborgt" werden, wenn sie nur bald durch die Wiedervernichtung des Teilchens wieder zurückgezahlt wird.

Unter anderem befinden sich unter diesen Teilchen Photonen, die wie alle mikroskopisch kleinen physikalischen Teilchen gleichzeitig Wellencharakter haben. Die den Photonen zugeordneten elektromagnetischen Wellen nehmen normalerweise alle möglichen Wellenlängen an. Doch zwischen den Platten geht das nicht. Dort können nur stehende elektromagnetische Wellen mit ganz bestimmten Wellenlängen existieren. Deshalb gibt es außerhalb der Platten wesentlich mehr Photonen als zwischen ihnen. Anschaulich gesprochen drücken diese überzähligen äußeren Photonen die Platten zusammen. Da das gewöhnliche physikalische Vakuum definitionsgemäß die Energie Null besitzt, muss dem Raumbereich zwischen den Platten, in dem es weniger Photonen als im gewöhnlichen Vakuum gibt, negative Energie zugeordnet werden.

Innerhalb eines Wurmlochs würde diese "Phantomenergie" dem Zusammenfallen des Wurmlochs entgegenwirken. Einige neueren kosmologischen Modelle gehen davon aus, dass das gesamte Weltall von dieser Phantomenergie erfüllt ist und für die von den Astronomen beobachtete beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich ist. Wenn diese Modelle richtig sind, wird unser Universum in einigen Milliarden Jahren in einem "Großen Riss" enden, weil die Ausdehnung des Raumes so stark zunimmt, dass sämtliche Materie förmlich auseinandergerissen wird. Ob dies zutrifft und ob das Universum tatsächlich mit negativer Phantomenergie durchsetzt ist, müssen zukünftige astronomische Beobachtungen zeigen. Denn eine nicht ganz so stark beschleunigte Ausdehnung des Alls kann auch mit dem Vorhandensein von "normaler" Dunkler Energie erklärt werden, die lediglich negativen Druck, aber keine negative Energie beinhaltet.

Unter der Voraussetzung, dass Phantomenergie existiert und Wurmlöcher offen hält, hat Shatskiy das Verhalten von Licht berechnet, das ein Wurmloch durchquert hat. Im Gegensatz zu einem Schwarzen Loch, das aufgrund seiner starken Gravitationskraft auf Licht wie eine Sammellinse wirkt, wird Licht von einem Wurmloch zerstreut, wenn es dieses passiert. Shatskiy findet deshalb eindeutige Identifikationsmerkmale für ein Wurmloch, die von einem leistungsfähigen Teleskop wie dem geplanten russischen Millimetron gefunden werden könnten.

Angenommen, es gibt sie wirklich, dann bliebe noch die Frage, ob wir uns selbst "durch den Apfel fressen" könnten, ob wir also irgendwann technisch dazu in der Lage sein werden, ein Wurmloch künstlich zu konstruieren, um damit Abkürzungen durch Raum und Zeit zu schaffen. Die Antwort: Es sieht schlecht dafür aus. Abschätzungen ergeben, dass wir zur Stabilisierung eines Wurmlochs mit einem Durchmesser von nur einem Meter eine Menge an negativer Energie benötigen würden, die der Energie entspricht, die 10 Milliarden Sterne innerhalb eines Jahres erzeugen. Realistischerweise können wir also nur abwarten, ob wir ein auf natürliche Weise entstandenes Wurmloch finden. Dieses könnten wir dann für eine Reise durch Raum und Zeit mit unbekanntem Ziel nutzen.
Alexander Shatskiy: Passage of Photons Through Wormholes and the Influence of Rotation on the Amount of Phantom Matter around Them, arXiv:0712.2572v1 [astro-ph]

Axel Tillemans


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