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Würden Astronauten eine interstellare Reise durch ein Wurmloch überleben? | Wissenschaft

In der Weltraumoper Interstellar , Astronauten, die die Menschheit retten wollen, haben eine Lebensader gefunden: ein Wurmloch, das auf mysteriöse Weise neben Saturn aufgetaucht ist. Der Tunnel durch die Raumzeit führt zu einer fernen Galaxie und der Chance, bewohnbare Planeten zu finden, die Menschen kolonisieren können. Das Wurmloch des Films basiert auf echter Physik eines pensionierten CalTech-Professors Kip Thorne , ein Pionier der Astrophysik, der auch Carl Sagan half, sein Wurmloch für den Roman zu entwerfen Kontakt . Die Visualisierungen sind atemberaubend und werden als einige der genaueste Simulationen von Wurmlöchern und schwarze Löcher im Film. Aber es gibt einen Aspekt des Eintauchens in einen interstellaren Express, den der Film nicht anspricht: Wie überlebt man die Reise?

Obwohl sie es nicht so nannten, war das ursprüngliche Wurmloch die Idee von Albert Einstein und seinem Assistenten Nathan Rosen. Sie versuchten, Einsteins Gleichungen für die allgemeine Relativitätstheorie so zu lösen, dass sie letztendlich zu einem rein mathematischen Modell des gesamten Universums einschließlich der Gravitation und der Teilchen führen würden, aus denen die Materie besteht. Ihr Versuch bestand darin, den Raum als zwei durch „Brücken“ verbundene geometrische Blätter zu beschreiben, die wir als Partikel wahrnehmen.

Ein anderer Physiker, Ludwig Flamm, hatte unabhängig solche Brücken entdeckt 1916 in seiner Lösung der Einsteinschen Gleichungen. Leider ging diese „Theorie von allem“ nicht auf, denn die theoretischen Brücken verhielten sich letztlich nicht wie echte Teilchen. Aber Einstein und Rosen 1935 Papier machte das Konzept eines Tunnels durch das Gefüge der Raumzeit populär und brachte andere Physiker dazu, ernsthaft über die Auswirkungen nachzudenken.





Der Princeton-Physiker John Wheeler prägte den Begriff „Wurmloch“ in den 1960er Jahren, als er die Modelle der Einstein-Rosen-Brücken erforschte. Er stellte fest, dass die Brücken den Löchern ähneln, die Würmer durch Äpfel bohren. Eine Ameise, die von einer Seite des Apfels zur anderen kriecht, kann entweder ganz um seine gekrümmte Oberfläche herumstapfen oder eine Abkürzung durch den Tunnel des Wurms nehmen. Stellen Sie sich nun vor, unsere dreidimensionale Raumzeit ist die Schale eines Apfels, der sich um eine höhere Dimension namens „die Masse“ krümmt. Eine Einstein-Rosen-Brücke ist ein Tunnel durch die Masse, der es Reisenden ermöglicht, eine Überholspur zwischen zwei Punkten im Weltraum zu nehmen. Es klingt seltsam, aber es ist eine legitime mathematische Lösung für die allgemeine Relativitätstheorie.

Wheeler erkannte, dass die Mündungen von Einstein-Rosen-Brücken gut mit Beschreibungen von so genannten a Schwarzschild Schwarzes Lochschild , eine einfache Materiekugel, die so dicht ist, dass nicht einmal Licht ihrer Anziehungskraft entkommen kann. Ah-ha! Astronomen glauben, dass Schwarze Löcher existieren und entstehen, wenn die Kerne extrem massereicher Sterne in sich zusammenfallen. Könnten Schwarze Löcher also auch Wurmlöcher und damit Tore zu interstellaren Reisen sein? Mathematisch gesehen vielleicht – aber niemand würde die Reise überleben.

Im Schwarzschild-Modell ist das dunkle Herz eines Schwarzen Lochs eine Singularität, eine neutrale, unbewegte Kugel mit unendlicher Dichte. Wheeler berechnete, was passieren würde, wenn ein Wurmloch entsteht, wenn zwei Singularitäten in weit entfernten Teilen des Universums in der Masse verschmelzen und einen Tunnel zwischen Schwarzschild-Schwarzen Löchern bilden. Er fand heraus, dass ein solches Wurmloch von Natur aus instabil ist: Der Tunnel bildet sich, aber dann zieht er sich zusammen und klemmt sich ab, sodass Sie wieder nur zwei Singularitäten haben. Dieser Prozess des Wachstums und der Kontraktion geschieht so schnell, dass nicht einmal Licht durch den Tunnel dringt, und ein Astronaut, der versucht, ihn zu passieren, würde auf eine Singularität stoßen. Das ist der plötzliche Tod, da die immensen Gravitationskräfte den Reisenden auseinanderreißen würden.

'Alles und jeder, der die Reise versucht, wird in der Abschnürung zerstört!' Thorne schreibt in seinem Begleitbuch zum Film: Die Wissenschaft des Interstellaren .

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Es gibt eine Alternative: ein rotierendes Schwarzes Kerr-Loch, eine weitere Möglichkeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Singularität im Inneren eines Kerr-Schwarzen Lochs ist ein Ring im Gegensatz zu einer Kugel, und einige Modelle deuten darauf hin, dass eine Person die Reise überleben könnte, wenn sie sauber durch die Mitte dieses Rings geht wie ein Basketball durch einen Reifen. Thorne hat jedoch eine Reihe von Einwänden gegen diese Vorstellung. In einem 1987 Artikel über Reisen durch das Wurmloch , stellt er fest, dass die Kehle eines Kerr-Wurmlochs eine Region namens Cauchy-Horizont enthält, die sehr instabil ist. Die Mathematik besagt, dass der Tunnel kollabiert, sobald etwas, sogar Licht, versucht, diesen Horizont zu passieren. Selbst wenn das Wurmloch irgendwie stabilisiert werden könnte, sagt uns die Quantentheorie, dass das Innere mit hochenergetischen Teilchen geflutet werden sollte. Setzen Sie einen Fuß in ein Kerr-Wurmloch, und Sie werden knusprig gebraten.

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Der Trick besteht darin, dass die Physik die klassischen Regeln der Gravitation noch nicht mit der Quantenwelt verbinden muss, ein schwer fassbares Stück Mathematik, das viele Forscher auf den Punkt bringen wollen. In einer Drehung auf dem Bild, Juan Maldacena in Princeton und Leonard Susskind in Stanford vorgeschlagen, dass Wurmlöcher wie die physikalischen Manifestationen der Verschränkung sein können, wenn Quantenobjekte unabhängig von ihrer Entfernung miteinander verbunden sind.

Einstein beschrieb Verschränkung bekanntermaßen als „gruselige Fernwirkung“ und widersetzte sich dieser Vorstellung. Aber viele Experimente zeigen uns, dass Verschränkung real ist – sie ist es bereits gewerblich genutzt zum Schutz der Online-Kommunikation, wie z. B. Banktransaktionen. Nach Maldacena und Susskind verändern große Verschränkungsmengen die Geometrie der Raumzeit und können Wurmlöcher in Form von verschränkte Schwarze Löcher . Aber ihre Version ist kein interstellares Gateway.

„Das sind Wurmlöcher, die es einem nicht erlauben, schneller als das Licht zu reisen“, sagt Maldacena. 'Allerdings können sie Ihnen erlauben, jemanden im Inneren zu treffen, mit der kleinen Einschränkung, dass beide dann in einer gravitativen Singularität sterben würden.'

OK, Schwarze Löcher sind also ein Problem. Was kann dann ein Wurmloch sein? Avi Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics sagt, dass unsere Optionen weit offen sind: „Da wir noch keine Theorie haben, die die allgemeine Relativitätstheorie zuverlässig mit der Quantenmechanik vereint, kennen wir nicht den gesamten Zoo möglicher Raumzeitstrukturen, die Wurmlöcher beherbergen könnten. '

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Ein Standbild aus dem Interstellar Trailer zeigt das blumenartige Ausdauer Raumschiff nähert sich dem Wurmloch.(Paramount Pictures und Warner Brothers Entertainment, in Zusammenarbeit mit Legendary Pictures)

Es gibt immer noch einen Haken. Thorne fand in seiner Arbeit von 1987 heraus, dass jede Art von Wurmloch, die mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar ist, kollabieren wird, es sei denn, sie wird durch etwas, was er 'exotische Materie' mit negativer Energie nennt, geöffnet. Er argumentiert, dass wir dank Experimenten, die zeigen, wie Quantenfluktuationen im Vakuum zu wirken scheinen, Beweise für exotische Materie haben Unterdruck erzeugen zwischen zwei Spiegeln, die sehr nahe beieinander stehen. Und Loeb denkt unsere Beobachtungen an dunkle Energie sind weitere Hinweise, dass exotische Materie existieren könnte.

'Wir beobachten, dass Galaxien in der jüngsten kosmischen Geschichte mit einer mit der Zeit zunehmenden Geschwindigkeit von uns weggelaufen sind, als ob sie von abstoßender Schwerkraft beeinflusst würden', sagt Loeb. 'Diese beschleunigte Expansion des Universums kann erklärt werden, wenn das Universum mit einer Substanz gefüllt ist, die einen Unterdruck hat … genau wie das Material, das benötigt wird, um ein Wurmloch zu schaffen.' Beide Physiker sind sich jedoch einig, dass man zu viel exotische Materie braucht, um sich jemals auf natürliche Weise ein Wurmloch zu bilden, und nur eine hochentwickelte Zivilisation kann jemals hoffen, genug von dem Zeug zu sammeln, um ein Wurmloch zu stabilisieren.

Aber andere Physiker sind nicht überzeugt. 'Ich denke, dass ein stabiles, durchquerbares Wurmloch sehr verwirrend wäre und mit den uns bekannten physikalischen Gesetzen unvereinbar wäre', sagt Maldacena. Sabine Hossenfelder am Nordischen Institut für Theoretische Physik in Schweden ist noch skeptischer: „Wir haben absolut keine Anzeichen dafür, dass dies existiert. Tatsächlich wird allgemein angenommen, dass es nicht existieren kann, denn wenn es so wäre, wäre das Vakuum instabil.' Selbst wenn exotische Materie verfügbar war, kann es nicht schön sein, sie zu durchqueren. Die genauen Auswirkungen würden von der Krümmung der Raumzeit um das Wurmloch und der Energiedichte im Inneren abhängen, sagt sie. 'Es ist so ziemlich wie bei Schwarzen Löchern: zu viel Gezeitenkräfte und man wird auseinandergerissen.'

Trotz seiner Verbindungen zum Film ist Thorne auch pessimistisch, dass ein durchquerbares Wurmloch überhaupt möglich, geschweige denn überlebensfähig ist. 'Wenn sie können existieren, bezweifle ich sehr, dass sie sich im astrophysikalischen Universum natürlich bilden können“, schreibt er in dem Buch. Aber Thorne weiß es zu schätzen, dass Christopher und Jonah Nolan, die geschrieben haben Interstellar , waren so erpicht darauf, eine wissenschaftlich fundierte Geschichte zu erzählen.

Die Geschichte ist jetzt im Wesentlichen die von Chris und Jonah, Thorne erzählte Verdrahtet im exklusiven Interview. Aber der Geist davon, das Ziel, einen Film zu haben, in dem die Wissenschaft von Anfang an in das Gewebe eingebettet ist – und es ist großartige Wissenschaft – wurde beibehalten.





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