Der berühmteste lebende Physiker hat einen neuen Weg vorgeschlagen, um eines der verwirrendsten Rätsel der modernen Physik zu lösen: Kann ein Schwarzes Loch Informationen aus dem Universum löschen? Laut Stephen Hawking und seinen Mitarbeitern könnte die Antwort Nein lauten - wenn Sie schwarzen Löchern eine üppige Haarpracht verleihen.
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"Ob dies die endgültige Antwort ist oder nicht, ist uns völlig unklar", sagt Co-Autor Malcolm Perry, ein theoretischer Physiker an der Universität von Cambridge. "Wir sagen, dass es ein Schritt auf dem Weg ist."
Die grundlegendste Beschreibung eines Schwarzen Lochs besagt, dass das, was hineingeht, niemals herauskommt. Basierend auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die beschreibt, wie die Schwerkraft den Kosmos beeinflusst, ist ein Schwarzes Loch so massiv, dass alles, was seinen Rand oder Ereignishorizont überschreitet, eingezogen wird und für immer verloren geht, sogar Licht.
In den 1970er Jahren entdeckte Hawking, dass schwarze Löcher selbst verschwinden können. Aufgrund der Vorhersagen der Quantenmechanik glauben die Physiker, der Raum sei kein Vakuum, sondern er sei voller sogenannter virtueller Teilchen, die ein- und ausgehen. Diese Teilchen erscheinen in Paaren, die zum Aussterben verurteilt sind, sobald sie miteinander in Kontakt kommen. Erscheint jedoch ein Paar zu beiden Seiten des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs, wird eines verschluckt und das andere strahlt in den Weltraum.
Die austretende Strahlung entzieht dem Schwarzen Loch beim Verlassen Energie, so dass das Schwarze Loch mit der Zeit an Masse verliert. Es verdunstet schließlich aus seiner Existenz. Nach Hawkings Berechnungen enthält die verbleibende Strahlung - die einzige Spur eines verschwundenen Schwarzen Lochs - keine nützlichen Informationen darüber, wie sich das Schwarze Loch gebildet hat und was es gegessen hat.
Dies ist ein Problem für Physiker, die hoffen, die Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu vereinen, was nach Meinung der meisten Experten den Verlust von Informationen verhindert. Zerkleinern Sie eine Enzyklopädie, verbrennen Sie sie oder verlieren Sie sie gegen die ungeheure Schwerkraft eines Schwarzen Lochs. Die Reste müssen immer Hinweise enthalten, die theoretisch das Zurückspulen des Bandes und das Erkennen des ursprünglichen Inhalts ermöglichen.
Auf der Suche nach dieser Umkehrbarkeit überprüfte Hawking seine ursprünglichen Berechnungen. Zu der Zeit, als er die Bestrahlung mit Schwarzen Löchern vorschlug, hatten mathematische Theoreme Schwarze Löcher von außen betrachtet als ziemlich merkwürdige Entitäten dargestellt. Alles, was gemessen werden konnte, war die Gesamtmasse und Ladung eines Schwarzen Lochs und wie schnell es sich drehte.
Die neue Arbeit, die diese Woche online auf der Pre-Print-Site arxiv.org veröffentlicht wurde, verleiht dem kosmischen Monster zusätzliche Unterscheidungsmerkmale, die als „Haare“ bekannt sind, in diesem Fall winzige Änderungen des Vakuums direkt außerhalb des Ereignishorizonts.
„Wir zeigen, dass man Haare implantieren kann, wenn man etwas richtig in ein Schwarzes Loch wirft“, sagt der theoretische Physiker Andrew Strominger von der Harvard University. Er und seine Kollegen veranschaulichen dies mit geladenen Teilchen.
Wie Energie kann auch elektrische Ladung weder erzeugt noch zerstört werden. Da Ladung im Universum erhalten bleiben muss, schlagen Hawking und seine Co-Autoren vor, dass geladene Teilchen, die den Ereignishorizont überqueren, in Form von seltsamen Lichtteilchen, so genannten weichen Photonen, die keine Energie haben, Spuren von sich selbst im Raum hinterlassen könnten. Diese bizarren Photonen verändern das Vakuum der Raumzeit und ermöglichen es ihr, Informationen über die ursprünglichen Partikel zu bewahren.
Hawking und seine Kollegen schlagen vor, dass das veränderte Vakuum Informationen über dreidimensionale Objekte auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs speichern könnte, genauso wie ein Hologramm als 3D-Darstellung eines flachen Bildes fungiert.
„Ob die Mathematik der Allgemeinen Relativitätstheorie dies zulässt, ist recht subtil“, sagt Lee Smolin, theoretischer Physiker am Perimeter Institute for Theoretical Physics. Smolin bevorzugt stattdessen Quantenerklärungen von Schwarzen Löchern auf der Grundlage ihrer Zentren anstelle ihrer Ränder und fügt hinzu, dass er andere Experten hinzuziehen wird, um die Mathematik auf dem neuen Papier zu überprüfen.
Bisher hat noch niemand einen Fehler in den Berechnungen gemeldet, aber es tauchen Bedenken auf, dass die Theorie bestenfalls unvollständig ist. Sabine Hossenfelder vom Nordischen Institut für Theoretische Physik fragt, wie viele Informationen das vorgeschlagene weiche Haar kodieren könnte. Sie weist auch darauf hin, dass das Papier nicht erklärt, wie die Haare, die mit dem schwarzen Loch verschwinden würden, sobald es verdunstet ist, ihre Informationen auf die verbleibende Strahlung übertragen würden.
"Ich bin überhaupt nicht davon überzeugt, dass die neue Idee von Hawking, Perry und Strominger das Problem des Informationsverlusts löst", schreibt sie im Blog Backreaction. „Aber es scheint eine interessante Straße zu sein, die es wert ist, weiter erkundet zu werden. Und ich bin sicher, wir werden weitere Erkundungen sehen. “
