Könnten Wurmlöcher wirklich funktionieren? Wahrscheinlich nicht

Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber von Ask a Spaceman, RealSpace und COSI Science Now.

Ah, Wurmlöcher. Die intergalaktische Abkürzung. Ein Tunnel durch Raum-Zeit, der unerschrockenen Reisenden erlaubt, vom Sternensystem zum Sternensystem zu springen, ohne jemals der Lichtgeschwindigkeit nahe zu kommen.

Wurmlöcher sind ein Arbeitspferd der interstellaren Science-Fiction-Zivilisationen in Büchern und auf dem Bildschirm, weil sie das lästige Problem lösen: "Wenn wir uns an die bekannte Physik halten, wären 99,99999 Prozent der Geschichte genauso faszinierend wie das Beobachten von Menschen."

Aber könnten wir es tun? Könnten wir Raum-Zeit tatsächlich verzerren und verbiegen, um einen bequemen Tunnel zu bauen, der all unsere galaktischen Träume wahr werden lässt? [Weird Science: Wurmlöcher machen die beste Zeit Maschinen]

Kurze Antwort: nicht wahrscheinlich.

Lange Antwort: Nun, lesen Sie weiter.

Vorsicht vor dem weißen Loch

Das Konzept der Wurmlöcher begann, als der Physiker Ludwig Flamm und später Albert Einstein und Nathan Rosen erkannten, dass Schwarze Löcher "erweitert" werden können. Wenn man die fantastisch komplizierten Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie löst, sagt die Maschine, die ein schwarzes Loch voraussagt, auch ein Phänomen voraus, das man Weißes Loch nennt. Ein weißes Loch ist ziemlich genau das, was du denkst: Während der Ereignishorizont eines schwarzen Lochs eine Region des Raumes markiert, in der du, wenn du eintrittst, nicht gehen kannst, ist es unmöglich eingeben der Horizont eines weißen Lochs, obwohl alles, was schon drin ist, entkommen kann.

Dieselbe mathematische Maschinerie liefert auch einen Bonus: Alle schwarzen Löcher würden natürlich über ihre Singularitäten mit weißen Löchern "verbunden" und einen Tunnel durch den Raum bilden. Woohoo, Wurmlöcher hier gehen wir!

Oder nicht. Während wir Beweise für die Existenz von Schwarzen Löchern haben, scheinen weiße Löcher mathematische Fiktion zu sein. Es gibt keinen bekannten Prozess in unserem Universum, der sie tatsächlich bilden würde, und selbst wenn sie tatsächlich existieren würden, würde ihre natürliche extreme Instabilität sie gleich wieder auslöschen. [Watch: Wurmloch Instabilitäten.]

Oh ja, und der Mechanismus zur Herstellung von Schwarzen Löchern - der Zusammenbruch massereicher Sterne - verhindert auch automatisch die Bildung eines symbiotischen Weißen Lochs.

Und selbst wenn sie sich bilden würden (und sie nicht), würde die extreme Schwere der gegenseitigen Singularitäten dazu führen, dass sich der Wurmlochtunnel sofort viel schneller dehnt und schnappt, als alles durchqueren könnte.

Tod durch Wurmloch

Aber das hindert niemanden daran, ein lustiges Spiel mit "Was wäre wenn" zu spielen. Was wäre, wenn weiße Löcher sich natürlich bilden oder gebaut werden könnten? Was wäre, wenn wir sie stabilisieren könnten? Was wäre, wenn wir die Singularität eines weißen Lochs mit einem schwarzen Loch verbinden und ein Wurmloch bilden könnten? Was wäre wenn? Was wäre wenn? Was wäre wenn?

Nun, für eine Sache wäre es wirklich, wirklich schlecht, wenn man durch solch ein Wurmloch reist. Buchstäblich. Der Eingang zum Wurmloch - der "Hals" - sitzt Innerhalb der Ereignishorizont des Schwarzen Lochs.

Das ist ein Problem.

Die Definition eines Ereignishorizontes - ihr sehr Cosmique raison d'etre - Wenn du sie einmal betrittst, kommst du nicht raus. Auf keinen Fall, nein wie. Es spielt keine Rolle, ob es einen Wurmlochtunnel gibt - du kannst nicht gehen.

In einem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs haben Sie nur ein Ziel: die Singularitätsstadt, den Ort der unendlichen Dichte und die seelenzerstörenden Gravitationskräfte.

Nehmen wir an, Sie betreten ein Wurmloch. Sie können beobachten, wie Licht von einem anderen Teil des Universums von der gegenüberliegenden Seite her eindringt. Wenn jemand anderes hereinspringt, kannst du sie treffen und zusammen Tee trinken. Und Sie können - kläglich - sterben, während Sie in die Singularität einsteigen. [Jagd auf Wurmlöcher: Die Jagd nach Tunneln in Raum-Zeit]

Positiv negativ

Gibt es eine Möglichkeit, ein funktionierendes, sogar spaßiges Wurmloch zu schaffen, statt eines schrecklichen Portals für die unvermeidliche Zerstörung?

Überraschenderweise, ja. Nun, nicht ganz 100 Prozent absolut "das ist ein normaler Teil unseres Universums" ja. Mehr wie "wenn wir spielen, tun" ja.

Um ein begehbares Wurmloch zu konstruieren, müssen Sie zwei wichtige Hindernisse überwinden. Erstens muss der Eingang zum Wurmloch tatsächlich außerhalb des Ereignishorizontes sitzen. Das würde es dir ermöglichen, das Wurmloch zu betreten und es zu deinem fernen Ziel zu sprengen, ohne eine "einzigartige" Begegnung fürchten zu müssen.

Zweitens muss der Tunnel selbst stabil und stark sein. Es muss der extremen Schwerkraft der Singularitäten standhalten und sich nicht auseinanderreißen lassen, wenn etwas über seine Länge fliegt.

Es gibt tatsächlich ein Material, das beide Probleme löst. Aber dieses Material hat ein eigenes Problem: Es hat eine negative Masse.

Das stimmt: Masse, aber negativ. Ein Ring aus Material mit negativer Masse könnte verwendet werden, um ein voll funktionsfähiges und nützliches Wurmloch zu konstruieren. Da die exotische Natur der negativen Masse die Raumzeit auf einzigartige Weise verkrümmt, "bläst" sie den Eingang zum Wurmloch außerhalb der Grenze des Ereignishorizonts auf und stabilisiert den Hals des Wurmlochs gegen Instabilitäten. Es ist kein intuitives Ergebnis, aber die Mathematik wird überprüft.

Aber könnte eine solche Substanz existieren? Wir haben einen guten Teil des Universums festgelegt, und wir haben noch nie eine negative Masse gesehen. Wenn es existierte, hätte es einige ziemlich seltsame Eigenschaften. Wenn wir zum Beispiel die Newton'schen Gesetze mit ein paar Minuszeichen berechnen, stellen wir fest, dass ein Teilchen mit negativer Masse auf ein Teilchen mit positiver Masse drücken würde, während das Teilchen mit positiver Masse auf das Teilchen mit negativer Masse stoßen würde. Setze zwei Partikel mit entgegengesetzter Masse nebeneinander, vollkommen still, und das Paar würde anfangen zu beschleunigen und ohne Kraftaufwand zu zoomen.

Das scheint so zu sein, dass es eine Art Regel verletzt. [Watch: Das Problem der negativen Masse.]

Was ist mit dem Casimir-Effekt, der seltsamen und faszinierenden Anziehung von zwei Metallplatten aufgrund von Vakuumenergie? Das wird oft als ein Beispiel dafür genannt, dass sich das Universum schlecht benimmt, und ein möglicher Weg zur negativen Masse. Aber die Casimir-Kraft ist durch lokalen Unterdruck gekennzeichnet (sie zieht statt Stöße), keine negative Masse. Sicher, wir wissen nicht alles, was es über die Quantengravitation und die Natur der Raumzeit bei Super-Duper-Teenie zu wissen gibt Waage. Könnte eine hochentwickelte Zivilisation den Pfad zur negativen Masse entdecken und die Schwerkraft genau richtig manipulieren? Würde ein Durchbruch in der Physik einen Weg zur Herstellung von Wurmlöchern weisen?

Ehrlich gesagt, wahrscheinlich nicht. Es gibt einfach zu viele Dinge, die gegen sie arbeiten. Working Wormholes würden so viele Aspekte der bekannten (und sehr gut getesteten) Physik verletzen, dass es meiner Meinung nach besser ist, nur an anderen Problemen zu arbeiten.

Ich weiß, dass einige Leute mir vorwerfen, nicht kreativ genug zu sein, aber das Universum kümmert sich nicht um unsere Kreativität. Die Werkzeuge der Wissenschaft sind harte, aber gerechte Richter; Wenn eine Idee nicht funktioniert, funktioniert es einfach nicht. Es gibt viele verschiedene und schöne Geheimnisse in unserem Universum, und wir haben sicherlich nicht alle inneren Abläufe des Kosmos freigeschaltet. Aber Wurmlöcher gehören wahrscheinlich nicht dazu.

Erfahren Sie mehr über die Episode "Wurmlöcher - Deal oder kein Deal?" auf dem Ask A Spaceman Podcast, verfügbar auf iTunes und im Web unter //www.asaspaceman.com. Danke an @SkaTaTah und @ brethines61 für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder indem Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter folgen.