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- Einstein- Rosen- Brücke
- Negative Energie
- Casimir- Effekt
- Wurmloch
- Warp- Antrieb
- Nackte Singularität
Schwarze Löcher bieten uns
eine weitere Besonderheit:
Bereits im Jahre 1935 haben Albert Einstein und Nathan Rosen bewiesen, daß
die Relativitätstheorie "Brücken" (Einstein-Rosen- Brücken) in der
Raumzeit zuläßt, die wir heute als Wurmlöcher bezeichnen. Solch ein
Wurmloch könnte von einem Schwarzen Loch erzeugt werden, das hierüber mit
einem Weißen Loch oder einem anderen Schwarzen Loch korrespondiert,
welches irgendwo weit entfernt im Universum beheimatet ist. Es stellt eine
tunnelförmige Abkürzung zwischen entfernten Orten im Kosmos dar.
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Wir könnten nun in das Schwarze Loch steigen und würden in seinen Sog zur Singularität geraten, durch die Rotation bedingt aber nicht dorthin gelangen. Rotierende Schwarze Löcher könnten anstelle der Punktsingularität eine ringförmige Singularität aufweisen. So ginge unsere Reise durch den Verbindungskanal beider Löcher, das Wurmloch. Einigen (eher zweifelhaften) Berechnungen zufolge soll es sogar möglich sein, sich unbeschadet sehr massereichen (> 10 000 Sonnenmassen) Schwarzen Löchern zu nähern, weil hier die Gravitationsbelastung angeblich auf unter 15 G zurückgeht.
Wie auch immer und schon in vielen SF- Romanen in den schönsten Farben geschildert, wäre diese Reise leider kein Vergnügen.
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Zwar führt sie direkt und unumkehrbar in die Vergangenheit, doch müßte man sich sehr beeilen, denn die Einstein- Rosen- Brücke (links) hat nur eine extrem kurze Lebensdauer und schnürt sich sehr schnell zu einer Singularität zusammen (rechts). |
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Das wurde nochmals in den sechziger Jahren durch die Physiker John Wheeler
und Robert Fuller bestätigt. Das Wurmloch bricht hiernach unter der
eigenen Schwerkraft so schnell zusammen, daß nicht einmal Licht
hindurchgelangen könnte, denn jede noch so kleine Störung, selbst ein
Photon, würde diesen Vorgang auslösen.
Doch scheint es einen
Ausweg aus diesem Dilemma zu geben:
Prinzipiell lassen sich Wurmlöcher auch ohne Schwarze Löcher
"konstruieren", die genügend groß und auch entsprechend stabil sind. Das
Zauberwort hierzu heißt negative Energie oder Masse, auch bekannt
als exotische Materie. Die uns geläufige Materie weist durchweg
positive Energie auf und verursacht deshalb eine positive Krümmung der
Raumzeit. Auch Antimaterie weist positive Energie auf. Für ein Wurmloch
braucht man aber eine Region mit negativer Krümmung, also Materie mit
negativer Energie, denn diese entspricht einer abstoßenden Gravitation.
Was aber ist nun diese negative Energie und wie kann man sie gewinnen?
Hier kommt uns die Unschärferelation der Quantenmechanik zu Hilfe: im subatomaren Bereich brodelt es heftig! Es entstehen ständig sogenannte virtuelle, entgegengesetzt geladene Teilchenpaare, die sich alsbald gegenseitig wieder vernichten, und das selbst im absoluten Vakuum! Die Energie zu ihrer Bildung leihen sie sich einfach aus dem Vakuum und geben sie bei ihrer Vernichtung wieder zurück. Wenn wir nun diese Fluktuationen etwas unterdrücken könnten, so würden wir die Energiedichte des Vakuums, die nach außen hin Null ist, unter diese "Null- Energie" bringen und wir hätten ein Feld mit negativer Energiedichte.
Die
Energiedichte eines jeden Feldes, egal ob elektrisch, magnetisch oder
gravitativ, ist nach der Heisenberg'schen Unschärferelation selbst
Schwankungen unterworfen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann sie in den
negativen Bereich gelangen. Sie wird aber durch erhöhte Werte der
positiven Dichte ausgegelichen. Und zwar wird der negative Puls
überkompensiert und das um so mehr, je größer die Zeitintervalle zwischen
den Pulsen sind. Diesen Effekt nennt man Quantenzins, die negative
Energie ist quasi ein Darlehen, das mit Zinsen zurück gezahlt werden muß.
Je länger die Darlehensdauer (größere Zeitintervalle) und je größer die
Darlehensmenge (die negative Energie), um so höher ist der Zins (der
positive Puls). Zudem ist bei ansteigenden Darlehensbeträgen die Laufzeit
immer kürzer.
Felder mit negativer Energiedichte lassen sich im Labor erzeugen. Benutzt wird hierzu der sogenannte Casimir- Effekt, benannt nach seinem Entdecker, dem niederländischen Physiker Hendrik B. G. Casimir. Er zeigte bereits 1948, daß sich zwei ungeladene Metallplatten in sehr engem Abstand in einem Vakuum anziehen.
Ursache hiervon sind die Vakuumfluktuationen. Auch im perfektesten Vakuum
entstehen ständig virtuelle Teilchenpaare aus Materie und Antimaterie,
welche die Energie zu ihrer Entstehung vom Vakuum "ausleihen" und sie nach
sehr kurzer Zeit wieder zurückgeben, indem sie sich gegenseitig vernichten
(annihilieren). Man kann virtuelle Teilchen nicht beobachten, jede
Beobachtung würde sie sofort zu reellen Teilchen werden lassen. Einen
indirekten Beweis ihrer Existenz liefern sie aber, indem sie
beispielsweise Wasserstoffatome etwas hin und her stoßen, was zu einer
meßbaren, winzigen Verschiebung ihres niedrigsten Energieniveaus führt.
Allein im Moment ihrer Entstehung hat das Vakuum bereits eine negative
Energiedichte, weil es einen kleinen Anteil seiner Energie an die Teilchen
entliehen hat. Die virtuellen Teilchen kann man auch nach dem Welle-
Teilchen Dualismus als Welle auffassen.
Nun passen aber nicht alle Wellenlängen zwischen beide Metallplatten,
sondern nur stets ein ganzzahliges Vielfaches bestimmter Wellenlängen,
während außen alle möglichen Fluktuationen bzw. Wellenlängen existieren
dürfen.
Im Endeffekt drücken somit von außen mehr Wellen gegen die Platten, als im Zwischenraum ausgeglichen wird, es entsteht hier somit ein Feld mit negativer Energiedichte. Das Anziehen der Platten ist damit auch ein weiterer Beweis für die Existenz der virtuellen Teilchen. Der Casimir- Effekt ist winzig: z.B. bei einem Abstand der Platten von einem Millionstel Millimeter beträgt der Quantendruck nur rund ein Zehntausendstel des Luftdrucks. Wenn man die Platten einander nähert, passen noch weniger Wellen in den Spalt - die negative Energiedichte steigt weiter, zieht man sie auseinander, verschwindet der Effekt. Eine positive Energiedichte, verkörpert beispielsweise durch einen Stern, stellt eine Gravitationsquelle dar und übt anziehende Kräfte aus. Könnten wir Felder mit negativer Energie erzeugen, hätten wir eine Quelle für abstoßende Kräfte und könnten sie zur Stabilisierung eines Wurmlochs nutzen.
Ein Wurmloch ist eine tunnelförmige Verbindung zwischen zwei weit entfernt voneinander liegenden Raumpunkten. Es stellt eine Art Abkürzung in der gekrümmten Raumzeit dar, indem es die Krümmung einfach umgeht. Nach der Relativitätstheorie kann man Licht zwar nicht überholen, aber mit einem Wurmloch ließe es sich austricksen.
Man
könnte hypothetische Wurmlöcher konstruieren, die genügend groß wären um
einen Menschen oder Raumschiff hindurch zu lassen. Man müsste nur eine
Möglichkeit haben, genügend negative Energie bereit zu stellen. Dann
könnte man beispielsweise auf der Erde ein Wurmloch betreten und wäre nach
ein paar Schritten auf der Andromeda- Galaxie.
Normalerweise wäre ein Wurmloch aber mikroskopisch klein, es hätte nicht mehr als 10-32 mm Durchmesser. Um ein Loch von einem Meter Durchmesser zu öffnen, müßte man es mit einem 10-21 m dünnen Feld negativer Energie umgeben. Allerdings benötigt man zu ihrer Gewinnung die Gesamtenergie, die 10 Milliarden Sterne in einem Jahr freisetzen. Wurmloch- Konstrukteure haben es also nicht sehr leicht! Zur Stabilisierung eines großen Wurmlochs, durch das man ein Raumschiff reisen lassen könnte, wäre mehr Energie erforderlich, als im gesamten Universum zur Verfügung steht.
Zumal sich noch weitere Probleme auftun: Durch
ein Wurmloch wären auch Zeitreisen möglich. Bekannt ist bereits, daß bei
Reisen mit relativistischen Geschwindigkeiten der Reisende bei seiner
Rückkehr deutlich weniger gealtert ist als die Menschen auf der Erde. Aber
würde er die Abkürzung durch ein Wurmloch nehmen, könnte er zurückkehren
bevor er abfliegt. Das aber widerspricht erheblich der Kausalität. Das
andere Problem betrifft den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, welcher
besagt, daß die Entropie eines Systems (seine "Unordnung") nur
gleichbleiben oder zunehmen kann. Die negative Energie könnte diesen Satz
aber verletzen: wenn wir zur Öffnung eines Wurmlochs einen stetigen Strahl
negativer Energie erzeugen, müsste nach den Quantentheorien eine zweiter
Strahl positiver Energie entstehen, den wir anderweitig nutzen könnten.
Damit wäre das Perpetuum Mobile geschaffen, was aber nicht möglich
ist.
Es bietet sich in diesem Zusammenhang eine weitere Anwendung der negativen Energie an: man könnte sie als einen futuristischen Antrieb für Raumschiffe verwenden, in Form des vom Raumschiff Enterprise bekannten Warp Antriebes (engl. to warp= verzerren, verziehen).
Mittels
negativer Energie ließe sich nämlich eine Art Blase in der Raumzeit
konstruieren, an deren Vorderseite die Raumzeit kontrahiert wird, wodurch
sich der Abstand zum Ziel verringert. Hinter der Blase, in welcher sich
das Raumschiff befindet, wird die Raumzeit wieder gedehnt, wodurch sich
der Abstand vom Herkunftsort vergrößert. Die Reisenden im Raumschiff
würden keine Bewegung erkennen, sie ruhen relativ zu ihrer Umgebung,
während ein außenstehender Beobachter eine beliebig hohe Geschwindigkeit
der Blase feststellt. Nach Einstein ist zwar das Überholen eines
Lichtstrahls ausgeschlossen, jedoch wäre ein Warp- Antrieb eine zulässige
Abkürzung in der Raumzeit, ebenso wie ein Wurmloch.
Die Raumfahrer hätten allerdings ein großes
Problem: sie könnten die Blase nicht steuern oder abschalten, das müßte
von außen geschehen. Es gäbe aber eine Lösung, indem die künftigen
Raumfahrer eine Art Tunnel aus modifizierter Raumzeit zwischen Start- und
Zielort in Unterlichtgeschwindigkeit herstellen (das wäre allerdings kein
Wurmloch!), auf dem Rückflug könnten sie den Tunnel dann mit Überlicht
passieren.
Die negative Energie, wenn sie uns denn zur Verfügung stände, hätte noch einen weiteren interessanten Aspekt. Weil sie eine abstoßende Wirkung auf Gravitation hat, könnte man mit ihrer Hilfe den Ereignishorizont eines Schwarzen Loches öffnen und damit einen Blick auf die nackte Singularität werfen. Das verbietet uns allerdings die sogenannte, vom bekannten Astrophysiker Roger Penrose aufgestellte Kosmische Zensur, welche uns diesen Blick verwehrt. Die Singularität eines Schwarzen Lochs ist ein Zustand, den wir in keinster Weise beschreiben können. Die Umgebung des Lochs, abgegrenzt durch den Ereignishorizont, unterliegt im Gegensatz dazu den bekannten Naturgesetzen . Eine nackte Singularität würde diese Grenze verletzen und ist deshalb nach der Kosmischen Zensur nicht zulässig.
Einem Impuls negativer Energie, auf das Schwarze Loch gerichtet, würde deshalb sofort ein größerer Puls positiver Energie folgen, der den Horizont wieder verschließt.
Alle hier genannten Effekte, ob Wurmloch, Warp- Antrieb oder nackte Singularität, sind keine Hirngespinste, sondern Ergebnisse komplizierter Berechnungen vieler ernsthafter und namhafter Wissenschaftler. Es gibt die negative Energie, das zeigt der Casimir- Versuch. In diesem mikroskopischen Bereich kann sie unbeschränkt bestehen. Um makroskopische Objekte wie Wurmlöcher zu gestalten, wären allerdings unvorstellbar dünne Felder negativer Energiedichte erforderlich, die man nicht erzeugen kann. Weil nämlich, wie wir gesehen haben, auf jeden negativen Puls unweigerlich ein größerer positiver folgen muß. Negative Pulse sind darüber hinaus nur sehr kurz, um langzeitstabile Felder negativer Energie zu konstruieren wären unvorstellbare positive Energiemengen notwendig.
Wir sind nicht imstande, Warp- Antriebe oder Wurmlöcher zu entwickeln, doch zeigen die theoretischen Betrachtungen, daß sie prinzipiell möglich sind ohne die Naturgesetze zu verletzen - Relativitätstheorie und Quantenphysik eingeschlossen. Vielleicht konnten sich inzwischen hochentwickelte Zivilisationen, an deren Existenz eigentlich kaum Zweifel bestehen können, diese Techniken zunutze machen und sie durchqueren bereits munter unseren Kosmos. Auch dem Menschen könnte ähnliches in unbestimmter Zukunft gelingen. Wer weiß!
Alýntý: http://abenteuer-universum.vol4u.de/wl.html
Letzte Änderung: 23. Mai 2002
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