Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist eine kugelförmige oder kugelförmige Region, aus der nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann. Außerhalb des Ereignishorizonts wird jedoch vorausgesagt, dass das Schwarze Loch Strahlung emittiert. Hawkings Werk von 1974 war das erste, das dies demonstrierte, und es war wohl seine größte wissenschaftliche Errungenschaft. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al .; ESA)

Wie Stephen Hawkings größte Entdeckung die schwarzen Löcher revolutionierte

Vor Hawking waren schwarze Löcher nur statische Punkte im Hintergrund des Weltraums. Sein größtes wissenschaftliches Erbe hat uns gezeigt, wie dynamisch sie sind.

1915 veröffentlichte Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie und ersetzte unser altes Newtonsches Weltbild durch ein einheitliches Konzept der Raumzeit. Auf der einen Seite von Einsteins Gleichungen erklärten Materie und Energie im Universum der Raumzeit, wie sie sich krümmen sollten. Auf der anderen Seite vermittelte der gekrümmte Stoff der Raumzeit Materie und Energie, wie sie sich bewegen sollten. Die Kompliziertheit dieser Gleichungen sorgte dafür, dass genaue Lösungen schwer zu finden waren, da Einstein selbst immer nur zwei fand: eine für vollständig leeren Raum und eine für eine einzelne Masse in der Schwachfeldgrenze. Im nächsten Jahr fand Karl Schwarzschild die erste interessante Lösung für eine Punktmasse über den gesamten Raum. Wir erkennen dies nun als die Lösung für ein Schwarzes Loch, eine der wenigen exakten Lösungen, die bis heute bekannt sind. Während in Schwarzschilds Formulierung Schwarze Löcher statische Objekte waren, war Hawking der erste, der bewies, dass dies nicht der Fall ist. Schwarze Löcher strahlen mit der Zeit aus und sind daher nicht einmal vollständig schwarz.

Die Masse eines Schwarzen Lochs ist der einzige bestimmende Faktor für den Radius des Ereignishorizonts für ein nicht rotierendes, isoliertes Schwarzes Loch. Lange Zeit glaubte man, Schwarze Löcher seien statische Objekte in der Raumzeit des Universums. (SXS-Team; Bohn et al. 2015)

Es ist seit langem bekannt, dass es nur wenige Eigenschaften gibt, die ein Schwarzes Loch beschreiben können. In Schwarzschilds Fall ordnete er es einfach der Masse zu und löste die Krümmung der Raumzeit. Andere haben gezeigt, dass man eine Ladung (Reissner-Nordström-Schwarze Löcher) oder einen Spin (Kerr-Schwarze Löcher) hinzufügen kann, aber das war es. Was Sie nicht tun konnten, war, Informationen in ein Schwarzes Loch einzufügen: Ein elektrisch neutraler, nicht rotierender Mensch enthielt so viele Informationen wie eine äquivalente Wolke von Wasserstoffgas, sobald es in ein Schwarzes Loch eingedrungen war. Aus thermodynamischer Sicht war dies eine Katastrophe. Sie könnten eine Wolke aus Wasserstoffgas mit einer Temperatur von absolut Null und damit einer Entropie von Null in das Schwarze Loch werfen, und dies hätte den gleichen Effekt auf das Schwarze Loch, als würde ein Mensch mit äquivalenter Energie dort hineingeworfen. Das ergab einfach keinen Sinn.

Wenn eine Masse von einem Schwarzen Loch verschlungen wird, wird der Entropiebetrag der Materie durch ihre physikalischen Eigenschaften bestimmt. Aber in einem Schwarzen Loch spielen nur Eigenschaften wie Masse, Ladung und Drehimpuls eine Rolle. Dies wirft ein großes Rätsel auf, wenn der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wahr bleiben muss. Abbildung: (NASA / CXC / M.Weiss; Röntgen (oben): NASA / CXC / MPE / S.Komossa et al. (L); Optisch: ESO / MPE / S.Komossa (R))

Dies bedeutete, dass wir entgegen dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik plötzlich die Möglichkeit hatten, die Entropie des Universums willkürlich zu verringern. Ein Schwarzes Loch sollte klassisch eine Entropie von Null haben. Wenn Sie Objekte mit realer, positiver und großer Entropie in ein Schwarzes Loch werfen könnten, hätten Sie eine Möglichkeit, gegen dieses Gesetz zu verstoßen. Soweit wir wissen, nimmt die Entropie immer zu, und dies war eines der Dinge, über die Hawking nachdachte, als er überlegte, was an Schwarzen Löchern rätselhaft war. Es muss eine Möglichkeit geben, es für Schwarze Löcher zu definieren, und dieser Wert sollte sowohl positiv als auch groß sein. Eine Erhöhung der Entropie im Laufe der Zeit sollte in Ordnung sein, eine Verringerung sollte jedoch verboten sein. Die einzige Möglichkeit, dies zu gewährleisten, besteht darin, eine Erhöhung der Masse des Schwarzen Lochs zu erzwingen, damit die Entropie um mindestens den größtmöglichen Betrag ansteigt, den Sie sich vorstellen können.

Auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs können Informationen enthalten sein, die proportional zur Oberfläche des Ereignishorizonts sind. (T. B. Bakker / Dr. J. P. van der Schaar, Universität Amsterdam)

Die Art und Weise, wie die Leute, die an diesem Problem arbeiteten - einschließlich Hawking -, eine Antwort gaben, bestand darin, die Entropie proportional zur Oberfläche eines Schwarzen Lochs zu machen. Je mehr Quanteninformationen Sie in ein Schwarzes Loch einpassen können, desto größer war seine Entropie. Aber das brachte ein neues Problem auf: Wenn Sie Entropie haben, bedeutet das, dass Sie eine Temperatur haben. Und wenn Sie eine Temperatur haben, müssen Sie Energie weg ausstrahlen. Ursprünglich „schwarz“ genannt, weil nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann, wurde jetzt klar, dass es doch etwas ausstrahlen musste. Plötzlich ist ein Schwarzes Loch kein statisches System mehr. es ist eines, das sich mit der Zeit ändert.

Der simulierte Zerfall eines Schwarzen Lochs führt nicht nur zur Emission von Strahlung, sondern auch zum Zerfall der zentralen umlaufenden Masse, die die meisten Objekte stabil hält. Schwarze Löcher sind keine statischen Objekte, sondern verändern sich mit der Zeit. (EUs Communicate Science)

Wenn also ein Schwarzes Loch nicht so schwarz ist und ausstrahlt, stellt sich jetzt die große Frage, wie. Wie strahlt ein Schwarzes Loch aus? Die Antwort auf dieses Rätsel herauszufinden, war Hawkings größter Beitrag zur Physik. Wir wissen in der Quantenfeldtheorie zu berechnen, wie sich das Vakuum des leeren Raums verhält, wenn der Raum flach ist. Das heißt, wir können Ihnen Eigenschaften des leeren Raums mitteilen, wenn Sie sich sehr weit von Massen wie einem Schwarzen Loch entfernt befinden. Was Hawking zum ersten Mal zeigte, ist, wie dies in einem gekrümmten Raum geschehen kann: wenige Radien vom Ereignishorizont entfernt. Und er stellte fest, dass es einen deutlichen Unterschied im Verhalten des Quantenvakuums gab, wenn sich eine Masse in der Nähe befand.

Die Quantengravitation versucht, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu kombinieren. Quantenkorrekturen der klassischen Schwerkraft werden als Schleifendiagramme dargestellt, wie das hier in Weiß gezeigte. Die semiklassische Näherung, die Hawking verwendete, beinhaltete die Berechnung der quantenfeldtheoretischen Effekte des Vakuums im Hintergrund des gekrümmten Raums. (SLAC National Accelerator Lab)

Als er die Mathematik durchlief, fand er die folgenden Eigenschaften:

  • Wenn Sie weit vom Schwarzen Loch entfernt sind, scheint es, dass Sie die thermische Emission von Schwarzkörperstrahlung erhalten.
  • Die Temperatur der Emission ist abhängig von der Masse des Schwarzen Lochs: Je geringer die Masse, desto höher die Temperatur.
  • Wenn das Schwarze Loch Strahlung aussendet, nimmt seine Masse genau in Übereinstimmung mit Einsteins E = mc² ab. Je höher die Strahlungsrate ist, desto schneller ist der Massenverlust.
  • Und wenn das Schwarze Loch Masse verliert, schrumpft es und strahlt schneller aus. Die Zeit, die ein Schwarzes Loch leben kann, ist proportional zu seiner gewürfelten Masse: Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße lebt etwa 10²⁰ mal länger als ein Schwarzes Loch der Sonnenmasse.
Wenn Sie sich den leeren Raum als ein Aufschäumen von Teilchen / Antiteilchen-Paaren vorstellen, die in der Existenz auf- und abplatzen, sehen Sie Strahlung vom Schwarzen Loch. Diese Visualisierung ist nicht ganz richtig, aber die Tatsache, dass sie einfach zu visualisieren ist, hat ihre Vorteile. (Ulf Leonhardt von der University of St. Andrews)

Ursprünglich stellte sich Hawking dies als Partikel / Antiteilchen-Paare vor, die in ihrer Existenz auftauchen und sich auflösen, um Strahlung zu erzeugen. Dieses übervereinfachte Bild war qualitativ gut genug, um die Strahlung in der Nähe des Schwarzen Lochs zu beschreiben, aber es stellte sich in der Nähe des Ereignishorizonts als falsch heraus. Man kann sich genauer vorstellen, dass sich das Vakuum ändert und die Strahlung von überall dort ausgestrahlt wird, wo die Krümmung des Raums relativ groß ist: nur wenige Radien vom Schwarzen Loch selbst entfernt. Sobald Sie jedoch weit weg sind, scheint alles nur diese thermische Schwarzkörperstrahlung zu sein.

Hawking-Strahlung ist das, was sich zwangsläufig aus den Vorhersagen der Quantenphysik in der gekrümmten Raumzeit ergibt, die den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs umgibt. Diese Visualisierung ist genauer als die obige, da Photonen eher als primäre Strahlungsquelle als Partikel dargestellt werden. Die Emission ist jedoch auf die Krümmung des Raums und nicht auf die einzelnen Partikel zurückzuführen und geht nicht alle auf den Ereignishorizont selbst zurück. (E. Siegel)

Auf einmal gab es eine Revolution in den Schwarzen Löchern und das Verständnis, wie sich Quantenfelder in stark gekrümmten Räumen verhalten. Es öffnete das Paradoxon für die Information über das Schwarze Loch, als wir uns nun fragen, wohin die auf dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs kodierten Informationen gehen, wenn ein Schwarzes Loch verdunstet? Dies wirft das (verwandte) Problem der Black-Hole-Firewalls auf und fragt, warum Objekte nicht durch Strahlung gebraten werden, wenn sie den Ereignishorizont überschreiten, oder ob dies tatsächlich der Fall ist. Es zeigt uns, dass es eine Beziehung zwischen dem Geschehen innerhalb eines Volumens (in dem vom Ereignishorizont umschlossenen Raum) und der ihn einkapselnden Oberfläche (dem Ereignishorizont selbst) gibt, was ein mögliches Beispiel für das holographische Prinzip im wirklichen Leben darstellt. Und es öffnet die Tür zu zusätzlichen Feinheiten, die es uns zum ersten Mal ermöglichen könnten, die Auswirkungen der Quantengravitation zu untersuchen, wenn es Abweichungen von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt.

Vor einem scheinbar ewigen Hintergrund ewiger Dunkelheit entsteht ein einziger Lichtblitz: die Verdunstung des letzten Schwarzen Lochs im Universum. (ortega-pictures / pixabay)

Das Papier, das zu all dem führte, hieß einfach Black Hole Explosions? Es wäre der krönende Abschluss einer lebenslangen Forschung gewesen, und Hawking veröffentlichte es, als er erst 32 Jahre alt war. Er hatte viele Jahre lang nach Singularitäten, Schwarzen Löchern, Babyuniversen und dem Urknall geforscht und mit Titanen wie Gary Gibbons, George Ellis, Dennis Sciama, Jim Bardeen, Roger Penrose, Bernard Carr und Brandon Carter zusammengearbeitet, um nur einige zu nennen wenige. Seine brillante Arbeit entstand nicht aus dem Nichts, sondern aus der Kombination eines brillanten Geistes, der in einem fruchtbaren akademischen Umfeld gedeiht. Für uns alle ist es eine Lektion, wie wichtig es ist, diese qualitativen Umgebungen zu schaffen (und zu finanzieren), in denen Forschung wie diese zum Leben erweckt werden kann, wenn wir diese theoretischen Fortschritte erzielen wollen.

Außerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs reichen die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenfeldtheorie völlig aus, um die Physik dessen, was auftritt, zu verstehen. Das ist Hawking-Strahlung. (NASA)

Fast ein halbes Jahrhundert später trauert die Welt um ihn, aber das Erbe seiner Forschung lebt weiter. Vielleicht wird dies das Jahrhundert sein, in dem Paradoxe aufgelöst werden und die nächsten titanischen Fortschritte in der Physik gemacht werden. Unabhängig davon, wie die Zukunft aussieht, ist Hawkings Vermächtnis sicher, und jeder Theoretiker kann nur hoffen, dass seine Theorien mit der Zeit verbessert werden. Wie Hawking selbst sagte:

Jede physikalische Theorie ist immer vorläufig, in dem Sinne, dass es sich nur um eine Hypothese handelt: Man kann sie niemals beweisen. Egal wie oft die Ergebnisse von Experimenten mit einer Theorie übereinstimmen, Sie können nie sicher sein, dass das nächste Mal das Ergebnis nicht der Theorie widerspricht.

Während die Welt mit Hawkings Tod eine ihrer großen wissenschaftlichen Größen verloren haben mag, wird sein Einfluss auf unser Wissen, Verständnis und unsere Neugier im Laufe der Jahrhunderte widerhallen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.