Schwarze Löcher sind in unserer Vorstellung immer einfach geblieben.
Es gab eine Zeit, in der man sich nach den Regeln der allgemeinen Relativitätstheorie eine dichte unendliche Singularität vorstellen konnte. Es war von einer Gravitationszone umgeben, aus der es unmöglich war zu entkommen und wurde als „Ereignishorizont“ bezeichnet. Diese Komponenten bildeten zusammen mit einigen weiteren Details die grundlegende Beschreibung der Anatomie eines Schwarzen Lochs.
Das Lehrbuch schreibt sehr deutlich darüber: Nichts, nicht einmal ein Lichtstrahl kann das Gravitations-Laster des Ereignishorizonts des Objekts durchbrechen. Es ist nur eine einfache Fahrt. Befindet sich ein Astronaut zu nahe am Ereignishorizont, wird er hineingezogen. Und er wird in den Tod fallen müssen und schreckliche Konsequenzen aus der Spaghettifizierung erwarten.
Obwohl dies eine vereinfachte Form ist, diente sie als ziemlich anständige Erklärung für das, was im Schwarzen Loch passiert. In den 1970er Jahren präsentierte der britische Guru für theoretische Physik, Stephen Hawking, seine Haupttheorie der Verdampfung von Schwarzen Löchern. Und in der heutigen Zeit glaubt Hawking, dass die Lehrbücher falsch waren, was uns zu der Idee führte, dass Schwarze wie Einbahnstraßen aussehen.
Hawking-Strahlungsproblem
Die Komplexität der Tatsache, dass Schwarze Löcher verdunsten können, ist eine Folge der Verrücktheit der unerforschten Quantenwelt. Quantentheoretiker schlagen vor, dass im Vakuumraum ein Paar „virtueller Teilchen“ ständig aus dem Raum herausspringt und dorthin zurückkehrt. Es stellt sich also heraus, dass das „wahre Vakuum“ niemals leer ist. Tatsächlich ist es mit Paaren von Quantenteilchen gefüllt, die in die Welt hineingeboren werden und sich dann in einem winzigen Zeitintervall vernichten. In der Regel läuft ein solcher Prozess reibungslos ab - Partikel entstehen aus einem Vakuum, dann vernichten sie sich mit ihrem Partner und das Universum macht sein eigenes persönliches Geschäft. Aber wenn Sie der Mischung ein Schwarzes Loch hinzufügen, erhält alles um Sie herum die Merkmale des Wahnsinns.
Wie oben erwähnt, wird der Ereignishorizont in einem Schwarzen Loch zu einem Punkt, von dem es keine Rückkehr gibt. Was passiert also, wenn ein Paar virtueller Teilchen in der allgemeinen Existenz am Horizont auftaucht und nur eines hineinfällt? Nun, das zweite „virtuelle Teilchen“, das seinen Vernichtungspartner verloren hat, wird buchstäblich aus dem Schwarzen Loch vertrieben und wird zur Kategorie „Realität“. Auf dem Weg zur „Realität“ entnimmt dieses Teilchen dem Schwarzen Loch einen Teil der Masse (die Quantenmechanik hat nie behauptet, eine logische Bedeutung zu vermitteln). Aufgrund dieses Prozesses, der ständig am Horizont der Ereignisse tobt, beginnt das Schwarze Loch, physische Masse zu verlieren. Dies ist, was Hawking-Strahlenverdampfung ist.
Bis zu diesem Punkt habe ich nur Ihren Appetit auf die Kuriositäten der Quantenfeldtheorie gewärmt, und dann wird es nur noch seltsamer. Aber zuerst müssen wir einige zusätzliche Informationen ansprechen.
Die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenfeldtheorie spielen untereinander nach den Regeln. Beide Bereiche der Physik befassen sich mit grundlegenden Beschreibungen von Raum, Zeit und Materie auf der Mikroebene (Quantenebene) und der Makroebene (kosmologische Ebene). Sie befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Waage. Und nach der jüngsten Entdeckung des Higgs-Bosons hat das "Buch der Rezepte" mit dem Namen "Standardmodell" erneut bewiesen, dass dies eine genaue Beschreibung der Funktionsweise unseres Universums ist.
Das Standardmodell scheint ein grundlegendes Problem mit der Schwerkraft zu haben. Bisher war es den Physikern nicht möglich, ein Teilchen zu finden, das die Gravitationskraft vermittelt (der hypothetische Name lautet „Graviton“). Und trotz all ihrer Bemühungen scheint es immer noch keinen Weg zu geben, dieses Rätsel zu lösen. Und in den letzten Jahren sind Schwarze Löcher zu einem weiteren Schlachtfeld zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenfeldtheorie geworden.
Antithese von "No Drama"
Wenn Materie (und damit „Information“) in den Raum eines Schwarzen Lochs eindringt, wird sie aus den bekannten Grenzen des Universums entfernt und effektiv zerstört. Das ist ein Problem. Die allgemeine Relativitätstheorie kümmert sich wenig um Informationen, die die Materie besitzt. Andererseits ist die Quantentheorie zu sehr an diesen Informationen interessiert und glaubt, dass sie nicht „gelöscht“ werden können.
Ein berühmtes Ereignis ereignete sich 2004, als Hawking in einem Streit mit dem theoretischen Physiker John Presquil eine Niederlage eingestand. Er bestätigte, dass in einem Schwarzen Loch „verlorene“ Informationen in Hawking-Strahlung kodiert sind (ursprünglich behauptete er, dass Schwarze Löcher Informationen zerstören und Informationen in Strahlung ein neuer Code sind, der sich nicht auf ein Objekt bezieht, das in das Loch eintritt).
Diese schnelle Lösung verursachte jedoch ein anderes Problem. Im Jahr 2012 erkannte eine Gruppe von Physikern unter der Leitung von Joseph Polchinski von der University of California in Santa Barbara, dass die Speicherung von Informationen in Hawking-Strahlung eine „Firewall“ aus starker Quantenenergie erfordern würde, die alles über den Horizont der Ereignisse hinaus komprimiert.
Erinnert man sich an unseren unglücklichen Kosmonauten, der in den Horizont eines Ereignisses mit einem Schwarzen Loch geraten ist, wird er nichts mit der allgemeinen Relativitätstheorie erleben, während er durch dieses Gebiet treibt (natürlich, wenn nicht Matthew McConaughey helle Lichter sehen würde). Natürlich wird der Astronaut am Ende in kleine Stücke zerbrechen, aber er wird verbrannt. Ein solches Gedankenexperiment ist als No-Drama-Postulat bekannt.
Aber alles ändert die Sackgasse von der Brandmauer. Er verstößt einfach gegen die Gesetze des Dramas und schafft genau das Gegenteil. Das heißt, es verstößt völlig gegen die allgemeine Relativitätstheorie und die Theorie, die das Schwarze Loch kontrolliert, mit dem wir begonnen haben.
Jetzt müssen die Physiker mit den Gleichungen kämpfen und versuchen, das „Informationsparadoxon“ zu lösen. Dies ist, was die größten Köpfe in den letzten Jahrzehnten getan haben. Stephen Hawking selbst verlässt diese Debatte nicht einmal. Zum Beispiel diskutierte er letztes Jahr die Möglichkeit, seine Theorie durch ein theoretisches Konstrukt zu ersetzen, das als "scheinbarer Horizont" bekannt ist, anstatt durch bestimmte Grenzen. Vielleicht muss dieses Konzept verbessert werden, und tatsächlich ändert dieser Horizont seine Bildung als Reaktion auf Quantenschwankungen innerhalb eines Schwarzen Lochs. Dies erzeugt eine chaotische Störung in der Information jenseits des scheinbaren Horizonts, die weder die Gesetze der Quantendynamik noch die allgemeine Relativitätstheorie verletzt.
"Als Vorhersage des Wetters auf der Erde gehen Informationen effektiv verloren, wenn die Einheitlichkeit nicht verloren geht", schrieb Hawking in einem Artikel. Dies bedeutet, dass die Informationen zwar vom Schwarzen Loch freigegeben werden, ihre Zufälligkeit jedoch nicht interpretiert werden kann, ohne das Problem mit der Firewall zu lösen.
Unnötig zu erwähnen, dass dies nicht das Ende der Debatte zwischen Hawkings Kollegen ist.
Und jetzt gab Hawking, der am 24. August in den Nachrichten des Royal Institute of Technology in Stockholm erschien, seine exquisite Erklärung in einem öffentlichen Vortrag. Er erzählte mir, dass er über die Informationen zur Kabelverarbeitung in schwarzen Löchern nachdachte.
"Ich glaube, dass Informationen nicht in der Mitte eines Schwarzen Lochs gespeichert werden, wie man meinen könnte, sondern an dessen Grenze, im Ereignishorizont", sagte er in der Vorlesung.
Der Wissenschaftler erklärte ausführlich, dass Informationen auf Objekten gespeichert werden, die in ein Schwarzes Loch fallen, und in zweidimensionale Hologramme umgewandelt werden, wonach sie in Hawking-Strahlung eingefangen und aus dem Schwarzen Loch entfernt werden. Aber es gibt keine Romantik darin, weil es nicht wie eine super-fortschrittliche Computer-Festplatte aussieht. Stattdessen ist es ein echtes Chaos.
„Ich denke, schwarze Löcher haben überhaupt nicht die gleiche Farbe wie beschrieben“, erklärte er. - „Sie stellen kein ewiges Gefängnis dar, wie zuvor angenommen. Dinge können vom Loch ins Äußere oder in andere Universen gehen. “ Wir warten auf die Dokumente, die Hawking und seine Mitarbeiter innerhalb weniger Wochen veröffentlichen wollen, um zu verstehen, was er mit dem Wort "andere" Universen gemeint hat. Es gibt jedoch Annahmen, die verdeutlichen, dass Löcher als Tür zu Parallelwelten oder sogar zu ganzen Universen dienen können.
Ereignishorizontteleskop
Gegenwärtig hat Hawking möglicherweise einen „Notausgang“ formuliert, um Informationen von einem Subjekt zu erhalten, das in ein Schwarzes Loch gefallen ist. Aber wir werden den Prozess nicht genau kennen, bis wir die Natur dieser Objekte vollständig studiert haben.
Astronomen vom Event Horizon Telescope sind kurz davor, den tiefen Kern unserer Galaxie zu sehen. Sie können die projizierte Lichtscheibe sehen, die das supermassereiche Schwarze Loch der Milchstraße, Schütze A, in einer Entfernung von 20.000 Lichtjahren umgibt.
"Seit so vielen Jahren versucht Hawking, Lösungen für das Informationsparadox zu finden: Entweder, um es so abzustimmen, dass die Quantenfeldtheorie mit der allgemeinen Relativitätstheorie kombiniert wird, oder um die Sichtweise eines Schwarzen Lochs zu ändern", schreibt Dimitrios Psaltis, Professor für Astronomie und Physik an der Universität von Arizona . "Wenn mit der zweiten Option alles geklappt hat, kann das Event Horizon-Teleskop eine einzigartige Ansicht anzeigen."
Hawkings Arbeit kann neue innovative Ideen vorbringen und die Gelegenheit bieten, einige Aspekte des Informationsparadoxons zu betrachten.
