Wurmlöcher sind in den populären Medien ein klassischer Trope der Science-Fiction, und sei es nur, weil sie ein so praktisches futuristisches Handlungsinstrument darstellen, um das Problem der Verletzung der Relativitätstheorie durch Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit zu vermeiden. In Wirklichkeit sind sie rein theoretisch. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern – die ebenfalls einst als rein theoretisch galten – wurden nie Beweise für ein tatsächliches Wurmloch gefunden, obwohl sie aus einer abstrakten theoretischen Physik heraus faszinierend sind. Wenn Sie diese Woche nur die Schlagzeilen lesen, in denen bekannt gegeben wird, dass Physiker einen Quantencomputer zur Herstellung eines Wurmlochs verwendet haben, und über eine neue in Nature veröffentlichte Arbeit berichten, wird Ihnen der Gedanke vergeben, dass sich der Status „Unentdeckt“ geändert hat.
Lassen Sie uns gleich den Rekord aufstellen: Dies ist kein echtes durchquerbares Wurmloch – dh eine Brücke zwischen zwei Regionen der Raumzeit, die die Mündung eines Schwarzen Lochs mit einem anderen verbindet, durch die ein physisches Objekt passieren kann – in irgendeiner realen, physischen Welt Sinn. „Es gibt einen Unterschied zwischen etwas, das im Prinzip möglich ist, und etwas, das in der Realität möglich ist“, sagte Co-Autor Joseph Lykken von Fermilab diese Woche während eines Medienbriefings. „Halten Sie also nicht den Atem an, wenn Sie Ihren Hund durch ein Wurmloch schicken.“ Aber es ist immer noch ein ziemlich cleveres, raffiniertes Experiment für sich, das einen verlockenden Beweis für das Prinzip der Art von Physikexperimenten im Quantenmaßstab liefert, die möglich sein könnten, wenn sich Quantencomputer weiter verbessern.
„Es ist nicht echt; es ist nicht einmal annähernd echt; es ist kaum eine Simulation von etwas, das nicht der Realität nahe kommt“, schrieb der Physiker Matt Strassler in seinem Blog. „Könnte diese Methode eines Tages zu einer Simulation eines echten Wurmlochs führen? Vielleicht in ferner Zukunft. Könnte sie dazu führen, dass ein echtes Wurmloch entsteht? Niemals. Versteh mich nicht falsch. Was sie gemacht haben, ist ziemlich cool! Presse? Wild, spektakulär übertrieben.“
Was ist also dieses Ding, das in einem Quantencomputer „erzeugt“ wurde, wenn es kein echtes Wurmloch ist? Ein Analogon? Ein Spielzeugmodell? Co-Autorin Maria Spiropulu von Caltech bezeichnete es während des Briefings als ein neuartiges „Wurmloch-Teleportationsprotokoll“. Man könnte es eine Simulation nennen, aber wie Strassler schrieb, ist das auch nicht ganz richtig. Physiker haben Wurmlöcher auf klassischen Computern simuliert, aber in diesen Simulationen wird kein physikalisches System erstellt. Deshalb bevorzugen die Autoren den Begriff „Quantenexperiment“, weil sie mit Googles Quantencomputer Sycamore ein hochverschränktes Quantensystem erstellen und bestimmte Schlüsseleigenschaften direkt messen konnten. Diese Eigenschaften stimmen mit theoretischen Beschreibungen der Dynamik eines passierbaren Wurmlochs überein – aber nur in einem speziellen vereinfachten theoretischen Modell der Raumzeit.
Lykken beschrieb es gegenüber der New York Times als „das kleinste, mieseste Wurmloch, das man sich vorstellen kann“. Selbst dann wäre vielleicht eine „Ansammlung von Atomen mit bestimmten wurmlochähnlichen Eigenschaften“ genauer. Was diesen Durchbruch so faszinierend und potenziell bedeutsam macht, ist, wie sich das Experiment auf einige der einflussreichsten und aufregendsten neueren Arbeiten in der theoretischen Physik stützt. Aber um genau zu verstehen, was getan wurde und warum es wichtig ist, müssen wir uns auf eine etwas mäandrierende Reise durch einige ziemlich berauschende abstrakte Ideen begeben, die sich über fast ein Jahrhundert erstrecken.
APS/Alan Stonebraker
Neuauflage des holografischen Prinzips
Beginnen wir mit dem sogenannten holografischen Prinzip. Wie ich bereits geschrieben habe, führten theoretische Physiker vor fast 30 Jahren die bewusstseinsverändernde Theorie ein, die postulierte, dass unser dreidimensionales Universum tatsächlich ein Hologramm ist. Das holografische Prinzip begann in den 1990er Jahren als Lösungsvorschlag für das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs. Schwarze Löcher, wie sie von der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben werden, sind einfache Objekte. Um sie mathematisch zu beschreiben, braucht man nur ihre Masse und ihren Spin sowie ihre elektrische Ladung. Es würde also keine merkliche Veränderung geben, wenn Sie etwas in ein Schwarzes Loch werfen würden – nichts, was einen Hinweis darauf geben würde, was dieses Objekt gewesen sein könnte. Diese Informationen gehen verloren.
Aber wenn die Quantengravitation ins Spiel kommt, treten Probleme auf, weil die Regeln der Quantenmechanik besagen, dass Informationen niemals zerstört werden können. Und in der Quantenmechanik sind Schwarze Löcher unglaublich komplexe Objekte und sollten daher eine Menge Informationen enthalten. Jacob Bekenstein erkannte 1974, dass Schwarze Löcher auch Entropie haben. Stephen Hawking versuchte, ihm das Gegenteil zu beweisen, bewies ihm aber stattdessen Recht, indem er zu dem Schluss kam, dass Schwarze Löcher daher eine Art Wärmestrahlung erzeugen müssten.
Schwarze Löcher müssen also auch Entropie haben, und Hawking war der Erste, der diese Entropie berechnete. Er führte auch den Begriff der „Hawking-Strahlung“ ein: Das Schwarze Loch gibt ein winziges bisschen Energie ab und verringert seine Masse um einen entsprechenden Betrag. Mit der Zeit wird das Schwarze Loch verdampfen. Je kleiner das Schwarze Loch, desto schneller verschwindet es. Doch was passiert dann mit den darin enthaltenen Informationen? Wird es wirklich zerstört, wodurch die Quantenmechanik verletzt wird, oder wird es irgendwie in der Hawking-Strahlung konserviert?
Nach dem holografischen Prinzip könnten Informationen über das Innere eines Schwarzen Lochs auf seiner zweidimensionalen Oberfläche (der „Grenze“) kodiert werden und nicht in seinem dreidimensionalen Volumen (der „Masse“). Leonard Susskind und Gerard ‘t Hooft dehnten diese Vorstellung auf das gesamte Universum aus und verglichen es mit einem Hologramm: Unser dreidimensionales Universum in all seiner Pracht entsteht aus einem zweidimensionalen “Quellcode”.
Als nächstes entdeckte Juan Maldacena eine entscheidende Dualität, die technisch als AdS/CFT-Korrespondenz bekannt ist – die einem mathematischen Wörterbuch gleichkommt, das es Physikern ermöglicht, zwischen den Sprachen zweier theoretischer Welten (allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik) hin und her zu wechseln. Dualitäten in der Physik beziehen sich auf Modelle, die unterschiedlich zu sein scheinen, aber nachweislich äquivalente Physik beschreiben. Es ist ein bisschen so, als wären Eis, Wasser und Dampf drei verschiedene Phasen derselben chemischen Substanz, außer dass eine Dualität dasselbe Phänomen auf zwei verschiedene Arten betrachtet, die in umgekehrter Beziehung zueinander stehen. Im Fall von AdS/CFT besteht die Dualität zwischen einem Modell der Raumzeit, das als Anti-de-Sitter-Raum (AdS) bekannt ist – das im Gegensatz zu unserem eigenen de Sitter-Universum eine konstante negative Krümmung aufweist – und einem Quantensystem namens Conformal Field Theory (CFT). ), die keine Schwerkraft hat, aber Quantenverschränkung aufweist.
Es ist diese Vorstellung von Dualität, die für die Wurmloch-Verwirrung verantwortlich ist. Wie oben erwähnt, haben die Autoren des Nature-Artikels kein physisches Wurmloch geschaffen – sie haben einige verschränkte Quantenteilchen in der gewöhnlichen flachen Raumzeit manipuliert. Es wird jedoch vermutet, dass dieses System eine doppelte Beschreibung als Wurmloch hat.