Rätsel der Physik: Steckt in jedem Wasserstoffatom ein Wurmloch?
Sind verschränkte Teilchen durch Wurmlöcher miteinander verbunden? Zwei Physiker haben diese Vermutung erstmals am Wasserstoffatom getestet – mit Ideen, die auf Einstein zurückgehen.
Schematische Darstellung einer Einstein-Rosen-Brücke, der theoretischen Verbindung zwischen zwei Regionen der Raumzeit. Zwei kanadische Physiker haben untersucht, ob solche Strukturen im Wasserstoffatom existieren könnten.
Foto: picture alliance / Zoonar
Im Jahr 1935 veröffentlichte Albert Einstein zwei Arbeiten, die die Physik bis heute beschäftigen. Die eine beschrieb die rätselhafte Fernverbindung verschränkter Teilchen. Die andere postulierte Tunnel durch die Raumzeit, sogenannte Wurmlöcher. Einen Zusammenhang zwischen beiden sah Einstein nicht. Knapp achtzig Jahre später stellten zwei Theoretiker eine kühne Vermutung auf: Verschränkung und Wurmlöcher könnten im Kern dasselbe Phänomen sein.
Zwei Physiker an der University of New Brunswick in Kanada haben diese Idee nun erstmals quantitativ überprüft. Dafür nutzten sie Wasserstoff, das einfachste Atom der Natur. Im Wasserstoffatom sind Proton und Elektron von Natur aus verschränkt. Wenn die Vermutung stimmt, müsste ein Teil des elektrischen Feldes ins Wurmloch abfließen und die extrem genau vermessenen Eigenschaften des Atoms messbar verändern. Doch laut der im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlichten Studie ist davon nichts zu sehen.
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Was Einstein 1935 postulierte
Princeton, 1935: Albert Einstein veröffentlicht innerhalb weniger Monate zwei sehr unterschiedliche Arbeiten, die sich einen Co-Autor teilen: Nathan Rosen.
- In der ersten Arbeit, verfasst mit Boris Podolsky und Rosen, beschreibt Einstein ein Gedankenexperiment: Zwei Teilchen, die einmal miteinander in Wechselwirkung standen, bleiben danach auf rätselhafte Weise verbunden. Misst man eine Eigenschaft des einen, steht die des anderen augenblicklich fest. Dabei spielt es keine Rolle, wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind. Einstein sah darin einen Beweis, dass die Quantenmechanik unvollständig sein müsse. Etwas Verborgenes, so sein Argument, müsse die Korrelation erklären. Er nannte das Phänomen „spukhafte Fernwirkung.“ Heute kennen Physiker es als Quantenverschränkung.
- In der zweiten Arbeit, verfasst nur mit Rosen, ging es um etwas völlig anderes: die Struktur der Raumzeit. Die beiden Physiker zeigten, dass Einsteins eigene Feldgleichungen eine mathematische Brücke zwischen zwei entfernten Regionen der Raumzeit erlauben: eine sogenannte Einstein-Rosen-Brücke. Durchquerbar wäre sie nicht, aber zulässig als theoretisches Konstrukt. Erst Jahrzehnte später bürgerte sich dafür der populärere Begriff Wurmloch ein.
ER = EPR?
Spätere Experimente bestätigten, dass Verschränkung real ist und nicht auf verborgenen Variablen beruht. Doch warum sie funktioniert, blieb offen. Einen Erklärungsansatz lieferten 2013 die Theoretiker Juan Maldacena und Leonard Susskind. Ihr Ausgangspunkt war ein Problem der Physik Schwarzer Löcher: Wenn zwei Schwarze Löcher maximal miteinander verschränkt sind, welche Geometrie beschreibt ihre Verbindung?
Maldacenas und Susskinds Antwort: eine Einstein-Rosen-Brücke bzw. ein Wurmloch. Ihre Formel dafür war so einfach wie mutig: Sie nahmen die Initialen der beiden Einstein-Arbeiten von 1935 – ER für Einstein-Rosen, EPR für Einstein-Podolsky-Rosen – und setzten ein Gleichheitszeichen dazwischen: ER = EPR.
Mit anderen Worten wären Verschränkung und Wurmlöcher also keine getrennten Phänomene, sondern zwei Beschreibungen derselben Realität. Was die Quantenmechanik als Verschränkung wahrnimmt, wäre in der Sprache der Relativitätstheorie ein Wurmloch. Sollte das stimmen, hätte die Physik eine Brücke zwischen zwei ihrer größten Theorien: der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie.
Wieso Wasserstoff sich perfekt für den Test eignet
Doch eine Vermutung ist noch kein Beweis, zumal ER = EPR bislang nicht präzise genug formuliert ist, um direkte Vorhersagen zu liefern. Will man die Idee testen, braucht man ein System, in dem sich genau genug vermessen lässt, um selbst winzige Abweichungen aufzuspüren. Bühne frei für Wasserstoff.
Das leichteste Element des Universums besteht nur aus einem Proton und einem Elektron. Diese Einfachheit macht es zum am genauesten vermessenen Atom der Physik. Seine Energieniveaus sind auf 15 signifikante Stellen bekannt, seine Hyperfeinstruktur — die minimalen Energieverschiebungen, die durch die Wechselwirkung der Spins von Proton und Elektron entstehen — sogar auf 12 Stellen.
Entscheidend ist: Proton und Elektron im Wasserstoff sind von Natur aus verschränkt. Wenn ER = EPR stimmt, müsste ein Mikro-Wurmloch die beiden verbinden. Und wenn ein Wurmloch da ist, so die Überlegung von Doktorand Irfan Javed und Professor Edward Wilson-Ewing von der University of New Brunswick in Kanada, könnte ein Teil des elektrischen Feldes darin verschwinden. Wilson-Ewing findet folgenden Vergleich:
- Man stelle sich das elektrische Feld des Elektrons wie eine Flüssigkeit vor, die aus einer Quelle strömt.
- Öffnet man in der Nähe dieser Flüssigkeit einen Abfluss – in diesem Falle also ein Wurmloch – geht ein Teil davon verloren
- Das Proton hingegen bliebe unbetroffen. Denn nach den Maßstäben der Quantengravitation wäre es viel zu groß, um in dem Wurmloch zu verschwinden. Es läge eher darauf wie ein Fußball im Waschbecken.
Wie der Test funktioniert
Javed und Wilson-Ewing haben für ihren Test kein neues Experiment gebraucht. Ihre Werkzeuge waren Stift, Papier und ein großer Fundus an Messungen anderer Forscherinnen und Forscher.
Die beiden Physiker stellten eine einfache Rechnung auf:
- Wenn ER = EPR stimmt und ein Wurmloch Proton und Elektron im Wasserstoffatom miteinander verbindet, müsste ein Teil des elektrischen Feldes des Elektrons in dieses Wurmloch abfließen. Wie viel, hinge davon ab, wie stark Proton und Elektron verschränkt sind.
- Aus dieser Annahme berechneten die Forscher, wie stark zwei Eigenschaften des Wasserstoffs von ihren bekannten Werten abweichen müssten, wenn das Wurmloch existiert:
- die Hyperfeinstruktur, weil ein schwächeres Elektronenfeld die Wechselwirkung zwischen Proton und Elektron verändert,
- die elektrische Ladung, weil im Wurmloch gefangene Feldenergie dem Atom eine winzige Nettoladung verleihen würde.
- Die so errechneten Werte verglichen sie mit den genauesten Messwerten, die für Wasserstoff vorliegen: zwölf signifikante Stellen für die Hyperfeinstruktur, zwanzig Dezimalstellen für die elektrische Neutralität.
Was die Forscher herausgefunden haben
Das Ergebnis: Weder eine Verschiebung der Hyperfeinstruktur noch eine Restladung waren zu erkennen. Falls ein Teil des elektrischen Feldes trotzdem in ein Wurmloch abfließt, ist dieser Verlust mindestens eine Million Mal schwächer, als es die naheliegendste Abschätzung erwarten ließe.
Es ist ein Negativergebnis, aber kein Scheitern. Vor dieser Studie gab es keine Zahl, an der sich die ER = EPR-Vermutung messen ließ. Jetzt gibt es eine: Wenn der Wurmloch-Effekt existiert, ist er so schwach, dass er in den genauesten Messungen nicht auftaucht. Widerlegt ist die Vermutung vom Wurmloch im Wasserstoff damit nicht – dafür ist diese bislang einfach zu vage formuliert. Aber der Spielraum ist erheblich kleiner geworden.
Ob ER = EPR stimmt, ist also immer noch offen. Aber die Tests gehen weiter. Als nächste Kandidaten nennen die Forscher schwerere Atome wie Cäsium und Rubidium, deren Spektren ähnlich genau bekannt sind wie die des Wasserstoffs. Sollte dort irgendwann ein Signal auftauchen, wäre das nach Einschätzung von Wilson-Ewing ein Durchbruch: eine erste Evidenz für ein Phänomen, das Quantentheorie und Raumzeitgeometrie miteinander verbindet.
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