Als Carl Sagan 1985 seinen Roman "Contact" schrieb, musste er seine Hauptperson Dr. Ellie Arroway schnell von der Erde zum Stern Wega transportieren. Er ließ sie in ein Schwarzes Loch fallen und mehrere Lichtjahre entfernt wieder auftauchen – aber ihm war nicht klar, ob das physikalisch möglich wäre. Der an der Cornell University im US-Bundesstaat New York tätige Astrophysiker und Fernsehstar fragte seinen Freund Kip Thorne, einen Experten für Schwarze Löcher am California Institute of Technology in Pasadena. Thorne war sofort klar, dass Arroway nicht durch ein Schwarzes Loch zur Wega reisen könnte, denn Schwarze Löcher zerstören alles, was in sie hineinfällt, und nichts kann wieder aus ihnen entweichen. Doch er hatte die Idee, dass Arroway eine andere Art von Raumzeitloch nutzen könnte, das mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie konsistent ist: ein Wurmloch, eine Art Tunnel, der entfernte Orte in der Raumzeit miteinander verbindet.

Zwar kollabieren die einfachsten theoretisch vorstellbaren Wurmlöcher sofort nach ihrer Entstehung wieder und verschwinden so, bevor irgendetwas durch sie hindurchgehen kann. Aber könnte vielleicht, so fragte sich Thorne, eine "unendlich fortschrittliche" Zivilisation Wurmlöcher lange genug offen halten, um deren Durchquerung zu ermöglichen? In der Tat, so fand er heraus, könnte eine solche Zivilisation die Mündungen eines Wurmlochs mit "exotischer Materie" umgeben, die dem Kollaps entgegenwirkt. Diese Materie müsste negative Energie besitzen und dadurch Strahlung ablenken und die umgebende Raumzeit abstoßen. Sagan verwendete diese Idee in "Contact" und schrieb die Erfindung der exotischen Materie einer früheren, untergegangenen Zivilisation zu, um weitere Details dazu zu vermeiden. Doch genau diese Details fesselten nun Thorne und seine Studenten sowie viele weitere Physiker: Sie untersuchten viele Jahre lang passierbare Wurmlöcher und ihre theoretischen Konsequenzen. Die Forscher stießen darauf, dass sich solche Wurmlöcher als Zeitmaschinen verwenden ließen. Damit würden sie zu den sattsam bekannten Paradoxa von Zeitreisen führen – für die Physiker ein Hinweis darauf, dass es die nötige exotische Materie in der Natur nicht gibt.

Jetzt, Jahrzehnte später, ist eine neue Art passierbarer Wurmlöcher aufgetaucht, die ohne exotische Materie auskommt. Und sie könnte den Physikern dabei helfen, ein überraschendes Paradoxon Schwarzer Löcher aufzulösen. Dieses Paradoxon basiert genau auf dem Problem, das die erste Version von "Contact" plagte und Thorne überhaupt zum Nachdenken über passierbare Wurmlöcher brachte: Alles, was in Schwarze Löcher hineinfällt, scheint ohne jede Spur zu verschwinden. Diese totale Zerstörung von Information steht jedoch im Widerspruch zu den Gesetzen der Quantenmechanik. Seit Jahren zerbrechen sich viele Experten über dieses Rätsel den Kopf. Einige haben daraus sogar den Schluss gezogen, dass Schwarze Löcher gar kein "Inneres" besitzen, sondern die Raumzeit auf seltsame Weise am Horizont Schwarzer Löcher endet.

Passierbare Wurmlöcher sind möglich

Im Jahr 2016 zeigten Ping Gao und Daniel Jafferis von der Harvard University in Boston und Aron Wall von der Stanford University in Kalifornien in einem Fachaufsatz, dass passierbare Wurmlöcher ohne exotische Materie möglich sind: Die nötige abstoßende negative Energie an den Mündungen eines Wurmlochs kann von außen durch spezielle Quantenverbindungen zwischen den beiden Schwarzen Löchern, die das Wurmloch bilden, erzeugt werden. Wenn die beiden Schwarzen Löcher auf eine bestimmte Art und Weise verbunden sind, dann taumelt ein Objekt, das in eines der Schwarzen Löcher hineinfällt, durch das Wurmloch hindurch und kann – durch bestimmte Ereignisse im äußeren Universum – aus dem zweiten Schwarzen Loch wieder austreten. Gao, Jafferis und Wall bemerkten zu ihrer Überraschung, dass dieses Szenario mathematisch äquivalent ist zu einer Quantenteleportation – einem Phänomen, das in zahlreichen Experimenten nachgewiesen und der Schlüssel zur Quantenkryptografie ist.

Die Entdeckung dieser neuen, passierbaren Wurmlöcher war eine Überraschung, erläutert John Preskill, Experte für Schwarze Löcher und Quantengravitation am Caltech, und hat erhebliche Folgen für das Informationsparadoxon und das Innere Schwarzer Löcher. "Was mir daran wirklich gefällt", sagt er, "ist, dass ein Beobachter in ein Schwarzes Loch eindringen und wieder herauskommen kann – um dann zu berichten, was er darin gesehen hat." Denn das zeige, dass das Innere Schwarzer Löcher tatsächlich existiere und dass all das, was hineinfällt, letztlich wieder herauskommen muss.

Die Entdeckung der neuen Wurmlöcher begann 2013, als Jafferis während einer Konferenz über Strings in Südkorea einen fesselnden Vortrag von Juan Maldacena hörte, einem Professor für Physik am Institute for Advanced Studies in Princeton. Maldacena war auf Basis verschiedener Ideen und Argumente zu dem Schluss "ER=EPR" gelangt. Das bedeutet, Wurmlöcher zwischen entfernten Orten der Raumzeit – deren einfachste Varianten als Einstein-Rosen-Brücken (ER) bezeichnet werden – sind (auf allerdings recht unzureichend definierte Art und Weise) zu verschränkten Teilchen äquivalent, die auch Einstein-Podolsky-Rosen-Paare (EPR) genannt werden. Diese von Maldacena und Leonard Susskind von der Stanford University aufgestellte "ER=EPR-Mutmaßung" war ein Versuch, eine moderne Version des berüchtigten Informationsparadoxons Schwarzer Löcher zu lösen (PDF). Dazu verknüpften die beiden Forscher die von der allgemeinen Relativitätstheorie beschriebene Raumzeit-Geometrie mit den instantanen Quantenverbindungen zwischen weit entfernten Teilchen, die Einstein als "spukhafte Fernwirkungen" geschmäht hatte.

Wie geht die Information verloren?

Dieses Paradoxon war bedrohlich aufgetaucht, als der britische Physiker Stephen Hawking 1974 zeigte, dass Schwarze Löcher verdampfen: Sie geben langsam Energie in Form von heute "Hawking-Strahlung" genannten Teilchen ab. Hawking berechnete, dass diese Strahlung vollkommen zufällig ist. Sie enthält demnach keinerlei Information über den Inhalt eines Schwarzen Lochs. Wenn also ein Schwarzes Loch auf diese Art verschwindet, verschwindet mit ihm jedwede Information über alles, was jemals in das Schwarze Loch hineingefallen ist, aus dem Universum. Das jedoch verletzt ein "Unitarität" genanntes Prinzip, das geradezu das Rückgrat der Quantentheorie bildet: Wenn Teilchen miteinander in Wechselwirkung treten, so besagt es, geht niemals Information verloren, sie wird höchstens durcheinandergemischt. Kehrt man also den Zeitpfeil der Quanten-Evolution des Universums um, so könnte man die Vergangenheit exakt aus diesen Informationen rekonstruieren.

Nahezu jeder Physiker glaubt an die Unitarität. Doch wenn die Unitarität erfüllt ist, muss die hineingefallene Information wieder aus Schwarzen Löchern herauskommen – aber wie? In den vergangenen fünf Jahren haben einige Theoretiker, insbesondere Joseph Polchinski von der University of California in Santa Barbara, behauptet, Schwarze Löcher seien leere Hüllen, die keinerlei Inneres besitzen. Elli Arroway würde demnach, wenn sie auf den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs trifft, in einer Wand aus Feuer verglühen und wieder nach außen abgestrahlt werden.

Viele Theoretiker sind allerdings davon überzeugt, dass Schwarze Löcher sehr wohl ein Innenleben besitzen und der Übergang durch den Horizont sehr viel sanfter verläuft. Um aber das Innere Schwarzer Löcher zu verstehen, muss man zunächst herausfinden, was mit der hineinfallenden Information geschieht. Denn das ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung einer funktionierenden Quantentheorie der Gravitation. Eine solche, seit Langem gesuchte Vereinigung der Quantenphysik und der relativistischen Beschreibung der Raumzeit ist Voraussetzung für die Beschreibung des Inneren von Schwarzen Löchern, da dort extreme Gravitation auf der Quantenskala wirkt.

Passierbares Wurmloch mit der Quantenteleportation

Die Verbindung von Quantenphysik und Gravitation brachte Maldacena und später Jafferis auf die ER=EPR-Mutmaßung und zu den Wurmlöchern. Die durch ER=EPR unterstellte Beziehung zwischen Tunneln durch die Raumzeit und Quantenverschränkung passt dabei zu der in jüngster Zeit populär gewordenen Ansicht, dass der Raum selbst durch Quantenverschränkungen erzeugt wird. Möglicherweise halten Wurmlöcher die Raumzeit zusammen und ermöglichen es der Information, aus Schwarzen Löchern zu entkommen. Aber wie funktioniert das? Als Jafferis den Vortrag von Maldacena über seine kryptische Gleichung und die Hinweise auf ihre Richtigkeit hörte, war er sich bewusst, dass ein gewöhnliches ER-Wurmloch instabil und deshalb unpassierbar ist. Er fragte sich jedoch, was Maldacenas Dualität für passierbare Wurmlöcher bedeuten könnte, wie sie Thorne und andere vor Jahrzehnten diskutiert hatten. Drei Jahre nach dem Vortrag in Südkorea präsentierten Jafferis und seine Mitarbeiter Gao und Wall ihre Antwort. Ihre Studie verknüpft nicht einfach ein Standardwurmloch und ein Paar verschränkter Teilchen, sondern ein passierbares Wurmloch mit der Quantenteleportation. Dabei handelt es sich um ein 1993 entdecktes Verfahren, das es Quantensystemen erlaubt, an einer Stelle zu verschwinden und an anderer Stelle unversehrt wieder aufzutauchen.

Verschränkung trifft Wurmloch
© Jillian Dittner / Scientific American November 2016; Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft
(Ausschnitt)
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Bei der Verschränkung handelt es sich um ein Konzept aus der Quantenmechanik; Wurmlöcher sind eine Konsequenz aus der allgemeinen Relativitätstheorie. Manche Physiker vermuten: Diese scheinbar verschiedenen Phänomene könnten dasselbe sein, nur in anderem Maßstab.

Verschränkung

Wirft man normale Münzen, ist jede Kombination möglich und das zweite Ergebnis vom ersten unabhängig. Verschränkte Münzen landen stets auf der gleichen Seite. Mit dem ersten Wurf kennt man daher sofort das Resultat des zweiten.

Wurmlöcher

Zwei weit voneinander entfernte Schwarze Löcher können durch eine nach außen unsichtbare Abkürzung verbunden sein, eine Art Brücke durch die Raumzeit. Sie würden wie verschiedene Objekte wirken, sich jedoch ein Inneres teilen.

Zwei Seiten einer Medaille?

Wenn Schwarze Löcher verschränkt werden, sind all ihre mikroskopisch kleinen Bestandteile korreliert. Das verändert die Raumzeit gerade so, als würde ein Wurmloch sie verbinden. Die Effekte scheinen äquivalent zu sein.

Als Maldacena den Fachaufsatz von Gao, Jafferis und Wall las, sah er darin eine "wirklich nette Idee; eine dieser Ideen, die man – wenn man erst einmal von ihr gehört hat – ganz offensichtlich findet". Maldacena begann sofort gemeinsam mit Douglas Stanford und Zhenbin Yang, die Konsequenzen dieser neuartigen Wurmlöcher für das Informationsparadoxon Schwarzer Löcher zu untersuchen. Im April 2017 veröffentlichten sie ebenfalls einen Fachaufsatz dazu. Im Juli folgte ein Fachaufsatz von Susskind und Ying Zhao von der Stanford University über Wurmlochteleportation. "Wurmlöcher bieten ein interessantes geometrisches Bild davon, wie Teleportation funktioniert", sagt Maldacena. "Die Information geht durch ein Wurmloch hindurch."

"Es ist eine wirklich nette Idee; eine dieser Ideen, die man – wenn man erst einmal von ihr gehört hat – ganz offensichtlich findet"
Juan Maldacena

In ihrem Aufsatz "Diving Into Traversable Wormholes" (Eintauchen in passierbare Wurmlöcher) in der Zeitschrift "Fortschritte der Physik" betrachten Maldacena, Stanford und Yang eine neue Art von Wurmloch, die zwei Schwarze Löcher miteinander verbindet: ein "Eltern-Loch", das Hawking-Strahlung abgibt und so langsam verdampft, und ein "Tochter-Loch", gebildet aus der Hälfte der abgegebenen Hawking-Strahlung. Beide Systeme sind so stark miteinander verschränkt, wie es nur möglich ist. In diesem Fall ist das Schicksal der Information aus dem Inneren des älteren Schwarzen Lochs klar: Sie entkommt aus dem jüngeren Schwarzen Loch.

Während eines Interviews in seinem ruhigen Büro am IAS beschreibt Maldacena, ein reservierter Argentinier, der bereits zahlreiche einflussreiche Arbeiten publiziert hat, seine radikalen Überlegungen. Auf der rechten Seite einer mit Kreide verschmierten Tafel skizziert er zwei Schwarze Löcher, verbunden durch das neue passierbare Wurmloch. Auf der linken Tafelhälfte zeichnet er ein Experiment zur Quantenteleportation, durchgeführt von den üblichen fiktionalen Experimentatoren Alice und Bob. Diese besitzen ein Paar miteinander verschränkter Teilchen a und b. Alice möchte das Qubit q zu Bob teleportieren. Sie erzeugt einen verschränkten Zustand von q und a, misst diesen Zustand – reduziert ihn also zu einem Paar klassischer Bits – und sendet das Ergebnis dieser Messung auf klassischem Weg an Bob. Mit dieser Information kann Bob das mit a verschränkte Teilchen b in einen Zustand transformieren, der den Zustand von q reproduziert. Damit wurde dann insgesamt eine Einheit Quanteninformation von einem Ort an einen anderen teleportiert.

Maldacena wendet sich nun wieder der rechten Seite der Tafel zu. "Mit einem Paar Schwarzer Löcher lassen sich Operationen durchführen, die äquivalent zu den gerade beschriebenen Operationen der Quantenteleportation sind. Und in diesem Bild wird die Information dann tatsächlich durch das Wurmloch transportiert." Nehmen wir an, Alice wirft das Qubit q in das Schwarze Loch A. Dann misst sie ein Teilchen a der Hawking-Strahlung von A und übermittelt das Ergebnis der Messung auf normalem Wege über das Universum außerhalb des Wurmlochs an Bob. Bob kann jetzt das Messergebnis nutzen, um ein aus dem Schwarzen Loch B kommendes Hawking-Teilchen so zu präparieren, dass es das in das Schwarze Loch A gefallene Qubit q rekonstruiert.

Nützliche, aber unrealistische Spielwiese

Das ist der Grund, warum viele Physiker so aufgeregt sind: Die von Gao, Jafferis und Wall beschriebenen Wurmlöcher erlauben es, Information aus einem Schwarzen Loch zurückzuerhalten. In ihrem Aufsatz platzieren die drei Forscher ihr Wurmloch in einer negativ gekrümmten Raumzeit-Geometrie. Diese dient Forschern auf dem Gebiet der Quantengravitation häufig als nützliche, wenngleich unrealistische Spielwiese für ihre Theorien. Doch die Idee scheint auch in der realen Welt zu funktionieren, wenn die Schwarzen Löcher nur auf die richtige Art und Weise miteinander verbunden sind. "Sie müssen kausal verknüpft sein, dann ist die von uns betrachtete Wechselwirkung die einfachste Sache, die man sich vorstellen kann", erläutert Jafferis. Erlaubt man der Hawking-Strahlung des einen Schwarzen Lochs, in das zweite hineinzufallen, so entsteht eine Verschränkung zwischen beiden – und Quanteninformation, die in das eine Schwarze Loch hineinfällt, kann aus dem zweiten wieder entkommen.

Dass es sich von der Form her um eine Quantenteleportation handelt, verhindert eine Verwendung dieser passierbaren Wurmlöcher als Zeitmaschinen. Alles, was durch das Wurmloch hindurchgeht, muss darauf warten, dass die Nachricht von Alice mit dem Messergebnis Bob auf normalem Weg erreicht. Die Übertragung kann folglich insgesamt nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit vonstattengehen – und nur eine überlichtschnelle Übertragung ließe sich für Zeitreisen nutzen. Passierbare Wurmlöcher könnten also in der Natur erlaubt sein, solange sie nicht die relativistische Geschwindigkeitsbegrenzung aushebeln. "Passierbare Wurmlöcher ähneln einem Bankkredit", schreiben Gao, Jafferis und Wall. "Man erhält ihn nur, wenn man so reich ist, dass man ihn eigentlich nicht benötigt."

"Passierbare Wurmlöcher ähneln einem Bankkredit: Man erhält ihn nur, wenn man so reich ist, dass man ihn eigentlich nicht benötigt"
Ping Gao, Daniel Jafferis, Aaron Wall

Passierbare Wurmlöcher können demnach zwar nicht die Raumfahrt revolutionieren, aber sie bieten eine "viel versprechende Lösung" für das Problem der Wand aus Feuer am Ereignishorizont an, so Preskill: nämlich, dass es eine solche Wand aus Feuer gar nicht gibt. Wie Preskill erläutert, rettet die Entdeckung die "Komplementarität Schwarzer Löcher. Damit bezeichnen wir die Annahme, dass das Innere und das Äußere Schwarzer Löcher nicht wirklich zwei unterschiedliche Systeme sind, sondern tatsächlich zwei sehr verschiedene, komplementäre Arten, auf ein und dasselbe System zu blicken." Wenn die Komplementarität erfüllt ist, und davon gehen die meisten Physiker aus, würde Ellie Arroway beim Passieren des Ereignishorizonts überhaupt nichts Besonderes bemerken. Und unter geeigneten Umständen könnte sie sogar tatsächlich den gesamten Weg durch ein Gao-Jafferis-Wall-Wurmloch hindurchgleiten.

Diese Art von Wurmlöchern schützt auch die Unitarität – also das Prinzip, dass Information niemals verloren geht, zumindest für die bislang untersuchten verschränkten Schwarzen Löcher. Alles, was in das eine Schwarze Loch hineinfällt, kommt irgendwann als Hawking-Strahlung aus dem anderen wieder heraus, und diese Strahlung könnte man, so Preskill, "als durcheinandergewürfelte Kopie des Inneren des Schwarzen Lochs ansehen".

Denkt man dieses Szenario weiter bis an sein logisches Ende, so hält Preskill es für möglich – zumindest für eine unendlich fortschrittliche Zivilisation –, das Innere des einen Schwarzen Lochs über die Manipulation seiner Strahlung zu beeinflussen. Das "klingt verrückt", schreibt er in einer E-Mail, aber "es ergibt Sinn, wenn wir die Strahlung, die mit dem Schwarzen Loch verschränkt ist – EPR –, zugleich als über Wurmlöcher mit dem Inneren des Schwarzen Lochs verknüpft ansehen – ER. Beeinflusst man dann die Strahlung, so kann man damit eine Mitteilung senden, die sich im Inneren des Schwarzen Lochs empfangen lässt! Wir müssen allerdings", so ergänzt er, "noch einen weiten Weg zurücklegen, um die Einzelheiten dieses Szenarios auszuarbeiten."

Schwarzes Loch mit Wurmloch-Tentakeln

Tatsächlich gibt es eine Reihe von Hindernissen auf dem Weg zu einer Verallgemeinerung der neuen Wurmlöcher zu einer Aussage über das Schicksal jedweder Quanteninformation oder der allgemeinen Bedeutung von ER=EPR. In dem Aufsatz, in dem Maldacena und Susskind den Zusammenhang ER=EPR präsentieren, symbolisieren sie diese Gleichung mit einer als "Oktopus" bezeichneten Skizze: ein Schwarzes Loch, von dem als Tentakeln zahlreiche Wurmlöcher ausgehen, die das Schwarze Loch mit allen Teilchen der Hawking-Strahlung verbinden, die je an dem Schwarzen Loch entstanden sind. Die beiden Forscher erklären, die Skizze illustriere "das Muster der Verschränkung zwischen dem Schwarzen Loch und der Hawking-Strahlung. Wir erwarten, dass diese Verschränkung die innere Geometrie des Schwarzen Lochs bestimmt."

Matt Visser, Mathematiker und Experte für die allgemeine Relativitätstheorie an der Victoria University in Wellington, Neuseeland, sieht das allerdings anders. Er beschäftigt sich seit den 1990er Jahren mit Wurmlöchern, und für ihn ist diese allzu wörtliche Interpretation des Oktopusbilds nicht korrekt. Die Mündungen von Wurmlöchern, die sich aus einzelnen Hawking-Teilchen bilden, wären so klein, dass Qubits niemals hindurchpassen würden. "Ein passierbares Wurmloch ist nur durchlässig für Wellenpakete, die kleiner sind als der Radius seiner Mündungen", erklärt Visser. "Große Wellenpakete würden einfach von einem kleinen Wurmloch zurückgeworfen, statt zur anderen Seite zu gelangen."

"Keine Art von Gedankenexperimenten bedrängt die Gesetze der Physik mehr als jene, auf die Carl Sagan mich in seinem Telefonanruf stieß. Diese Experimente fragen: Was für Dinge erlauben die Gesetze der Physik einer unendlich fortschrittlichen Zivilisation zu tun, und was für Dinge verbieten diese Gesetze?"
Kip Thorne

Stanford, der als Koautor an der Arbeit von Maldacena und Yang beteiligt war, gibt zu, dass dies ein Problem der einfachsten Interpretation der ER=EPR-Idee ist, bei der jedes Teilchen der Hawking-Strahlung sein eigenes tentakelartiges Wurmloch besitzt. Doch eine etwas spekulativere Interpretation von ER=EPR, an der er gemeinsam mit anderen Forschern arbeitet, ist nicht davon betroffen. "Um mit Hilfe des passierbaren Wurmlochs die Information aus der Hawking-Strahlung zurückzugewinnen", so erläutert er diese Idee, "müssen wir die Hawking-Strahlung sammeln und auf komplizierte Art und Weise auf sie einwirken."

Diese komplizierte kollektive Messung liefere dann Informationen über die Teilchen, die in das Schwarze Loch hineingefallen sind. Sie "erzeugt ein großes, passierbares Wurmloch aus all den kleinen, wenig hilfreichen Oktopustentakeln. Die Information bewegt sich dann durch dieses große Wurmloch hindurch." Und Maldacena ergänzt, dass – vereinfacht ausgedrückt – die Theorie der Quantengravitation zu einer neuen, allgemeineren Vorstellung der Geometrie führen könnte, in der ER mit EPR gleichzusetzen ist. "Wir denken, die Quantengravitation muss dieses Prinzip erfüllen", sagt er. "Für uns ist es eine Art Wegweiser zu dieser Theorie."

In seinem 1994 erschienenen populärwissenschaftlichem Buch "Black Holes and Time Warps" – auf Deutsch unter dem Titel "Gekrümmter Raum und verbogene Zeit" erhältlich – feiert Kip Thorne die Art und Weise, in der auf dem Gebiet der Wurmloch-Forschung argumentiert wird: "Keine Art von Gedankenexperimenten bedrängt die Gesetze der Physik mehr als jene, auf die Carl Sagan mich in seinem Telefonanruf stieß. Diese Experimente fragen: Was für Dinge erlauben die Gesetze der Physik einer unendlich fortschrittlichen Zivilisation zu tun, und was für Dinge verbieten diese Gesetze?"

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Der Text ist im Original unter dem Titel "Newfound Wormhole Allows Information to Escape Black Holes" am 23. Oktober 2017 im "Quanta Magazine" erschienen.