Quantenverschränkung, Wurmlöcher und höhere Dimensionen

„Irrlehren der Wissenschaft brauchen 50 Jahre, bis sie durch neue Erkenntnisse abgelöst werden, weil nicht nur die alten Professoren, sondern auch deren Schüler aussterben müssen.“

Max Planck (1858-1947), dt. Physiker (Quantentheorie), 1918 Nobelpreis


Über Quantenverschränkung habe ich ja schon einiges geschrieben. Und obwohl es für diese Eigenschaft der kleinsten Teilchen, die die Physiker derzeit kennen, noch keine rationale Erklärung gibt, stellt sie wahrscheinlich das bahnbrechende Fundament der nächsten Generation unserer Computerarchitekturen dar.

Trotzdem – die Tatsache, dass zwei Teilchen über eine beliebig große Entfernung spontan Information austauschen können, ja sogar vermeintlich wie ein- und dasselbe Teilchen agieren, ist für uns dreidimensionale Wesen schlicht unvorstellbar. Ebenso unbegreiflich für uns sind Schwarze Löcher und das daraus abgeleitete Konzept der Wurmlöcher. Auch Schwarze Löcher sind mittlerweile nachgewiesen und liefern damit einen weiteren, eindrucksvollen Beweis für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Diese bildet das Fundament unseres aktuellen Verständnisses des Universums und basiert auf drei Dimensionen sowie der Zeit. Allerdings verknüpft Einstein Raum und Zeit zur sogenannten Raumzeit und hebt damit die Unabhängigkeit dieser beiden Eigenschaften des Universums auf. Einstein sagt in seiner Theorie voraus, dass der Raum durch große Massen gekrümmt werden kann und sogar so weit, dass sich zwei Punkte der Raumzeit berühren und damit eine Raumbrücke bilden kann, die zwei weit entfernte Punkte der Raumzeit miteinander verbindet.
WurmlochDiese sogenannte Einstein-Rosen-Brücke, im Volksmund auch Wurmloch genannt, konnte allerdings bisher noch nicht nachgewiesen worden, sind doch nach der Allgemeinen Relativitätstheorie gigantische Massen und damit unendlich große Mengen an Energie notwendig, um eine solche Raumkrümmung zu erreichen. Nichtsdestotrotz ist sie ein fundamentales Element jeder Science-Fiction, löst sie doch elegant das Problem der unglaublich großen Entfernungen im Universum. Denn es gibt nach der Relativitätstheorie noch ein weiteres, sehr wichtiges Konzept – die maximale Geschwindigkeit der Informationsausbreitung in der Raumzeit, die durch die Geschwindigkeit des Lichts begrenzt ist – und damit sind Reisen im Universum etwas unpraktikabel. Diese fundamentale Beschränkung hat Einstein auch dazu bewogen, die Theorie der Quantenmechanik, die die Quantenverschränkung vorhersagt, in Teilen abzulehnen und hat dies als „spukhafte Fernwirkung“ abgetan.

Wurmloch – Ein Gedankenexperiment

Wir erzeugen eine gigantisch große Menge verschränkter Teilchen und trennen die jeweiligen Paare. Die eine Gruppe packen wir in ein Raumschiff, die andere Gruppe behalten wir hier. Am Zielort angekommen werden die Teilchen mit einer fortschrittlichen Technik bis zu einem Schwarzen Loch komprimiert und mit den auf der Erde verbliebenen Teilchen verfahren wir ebenso. Da die Teilchen immer noch verschränkt sind, sind es nun auch die beiden Schwarzen Löcher. Wir haben mit einfachsten Mitteln ein Wurmloch erzeugt.

Verschränkte Schwarze Löcher
Nun ist es so, dass die Menge der Teilchen und damit die resultierenden Masse in das Resultat dieses Gedankenexperiments nicht eingeht. Daraus kann man schließen, dass der Effekt der Raumkrümmung von der Masse unabhängig ist – ein Widerspruch zur Allgemeinen Relativitätstheorie. Allerdings ist die Quantenverschränkung real und damit ist auch dieses Gedankenexperiment gültig. Nachzulesen ist all dies in den aktuellen Arbeiten von Leonard Susskind (Stanford University) und Juan Maldacena (Princeton N.J.). Die beiden Physiker haben nicht nur dieses Gedankenexperiment durchgeführt, sondern auch die notwendigen mathematischen Zusammenhänge hergeleitet. Es zeigt sich, dass Wurmlöcher und Quantenverschränkung nur Grenzfälle ein und desselben physikalischen Phänomens sind.


Wir haben also ein Problem. Das Verhalten verschränkter Elementarteilchen lässt sich nach diesem Gedankenexperiment am ehesten als mikroskopisch kleines Wurmloch begreifen. Allerdings reicht die Masse eines Elementarteilchens nach der Allgemeinen Relativitätstheorie nun mal nicht aus, um den Raum zu krümmen. Sowohl die Allgemeine Relativitätstheorie wie auch die Quantenmechanik beschreiben die Natur damit nur in Grenzfällen und das ist die große Herausforderung der modernen Physik, die Suche nach der vereinheitlichten Theorie, der Weltformel, die das Verhalten größter und kleinster Massen gleichermaßen erklären kann.

Eine Richtung, in die sich die theoretische Physik aktuell bewegt, um die Widersprüche der beiden großen Theorien des letzten Jahrhunderts aufzulösen, ist die Einführung weiterer Dimensionen. Das ist leider ein Konzept, dass die menschliche Vorstellungskraft arg strapaziert. Aber stellen wir uns einmal vor, es gebe mindestens eine weitere Dimension, die uns tolpatschig plumpen Wesen zwar nicht zugänglich ist, aber sehr wohl den Elementarteilchen. Damit wäre die Quantenverschränkung elegant zu erklären, wären doch die beiden Teilchen in dieser zusätzlichen Dimension einfach miteinander zu verbinden. Man spricht hier von einer sogenannten Faltung des Raums in einer höheren Dimension. Die Erweiterung der nicht unumstrittenen String-Theorie, die M-Theorie, führt in ihrem Modell gar sechs zusätzliche Dimension ein, die eine durchaus verlockende mathematische Eleganz haben. Im Rahmen dieser Theorie bilden die höheren Dimensionen die Grundlage für die Vorhersage von Multiversen und alternativen Realitäten. Aber all das kann ich nicht so gut erklären wie Doc Emmet Brown aus Zurück in die Zukunft: „Du musst Dir angewöhnen, vierdimensional zu denken.“

In diesem Sinne habe ich hier noch ein gutes Video, dass anschaulich das Konzept der höheren Dimensionen erklärt. Ob das Realität ist? Keine Ahnung. Aber die Experimentalphysik arbeitet hart daran, Phänomene, die von dieser Theorie vorhergesagt werden, nachzuweisen. Bis jetzt ist es uns noch nicht gelungen. Aber das soll nichts heißen, hat es doch auch mehr als 50 Jahre von der Allgemeinen Relativitätstheorie bis zum ersten Nachweis eines Schwarzen Lochs gebraucht.

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