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 Arbeit von 1974 war die erste, die dies demonstrierte, und es war wohl seine größte wissenschaftliche Leistung. (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 lehrte uns, wie dynamisch sie sind.

1915 veröffentlichte Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie und ersetzte unsere alte Newtonsche Weltanschauung durch ein einheitliches Konzept der Raumzeit. Auf einer Seite von Einsteins Gleichungen sagten die Materie und Energie im Universum der Raumzeit, wie man sich krümmt; Auf der anderen Seite sagte der gekrümmte Stoff der Raumzeit Materie und Energie, wie sie sich bewegen sollten. Die Kompliziertheit dieser Gleichungen stellte sicher, dass genaue Lösungen schwer zu finden waren, da Einstein selbst immer nur zwei fand: eine für den 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 jetzt 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 im Laufe 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 ihm einfach 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 Wasserstoffgaswolke, sobald er in ein Schwarzes Loch eintrat. Aus thermodynamischer Sicht war dies eine Katastrophe. Sie könnten eine Wasserstoffgaswolke 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 wie das Werfen eines Menschen mit äquivalenter Energie. Das ergab einfach keinen Sinn.

Wenn eine Masse von einem Schwarzen Loch verschlungen wird, wird die Entropie der Materie durch ihre physikalischen Eigenschaften bestimmt. In einem Schwarzen Loch spielen jedoch nur Eigenschaften wie Masse, Ladung und Drehimpuls eine Rolle. Dies ist ein großes Rätsel, 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 realen, positiven und großen Mengen an Entropie in ein Schwarzes Loch werfen könnten, hätten Sie eine Möglichkeit, dieses Gesetz zu verletzen. 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. Das Erhöhen der Entropie im Laufe der Zeit sollte in Ordnung sein, das Verringern sollte jedoch verboten sein. Die einzige Möglichkeit, dies sicherzustellen, besteht darin, eine Erhöhung der Masse des Schwarzen Lochs zu erzwingen, damit die Entropie um mindestens den größten Betrag steigt, den Sie sich vorstellen können.

Auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs können Informationsbits codiert sein, die proportional zur Oberfläche des Ereignishorizonts sind. (TB Bakker / Dr. JP van der Schaar, Universität Amsterdam)

Die Leute, die an diesem Problem arbeiteten - einschließlich Hawking -, gaben eine Antwort, indem sie die Entropie proportional zur Oberfläche eines Schwarzen Lochs machten. 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 wegstrahlen. Ursprünglich „schwarz“ genannt, weil nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann, wurde jetzt klar, dass es doch etwas ausstrahlen musste. Plötzlich ist ein Schwarzes Loch kein statisches System mehr. Es ist eines, das sich im Laufe 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 im Laufe der Zeit. (EU kommuniziert Wissenschaft)

Wenn also ein Schwarzes Loch nicht so schwarz ist und strahlt, wird die große Frage jetzt, wie. Wie strahlt ein Schwarzes Loch? 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 sehr weit von Massen entfernt sind, wie z. B. ein Schwarzes Loch. Hawking zeigte zum ersten Mal, wie dies in einem gekrümmten Raum geschieht: innerhalb weniger Radien des Ereignishorizonts. Und er fand heraus, 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 an der klassischen Schwerkraft werden als Schleifendiagramme dargestellt, wie hier in Weiß gezeigt. Die von Hawking verwendete semiklassische Näherung umfasste 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, als würden Sie die Wärmeabgabe von Schwarzkörperstrahlung erhalten.
  • Die Temperatur der Emission ist abhängig von der Masse des Schwarzen Lochs: Je niedriger die Masse, desto höher die Temperatur.
  • Wenn das Schwarze Loch Strahlung emittiert, 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 an Masse verliert, schrumpft es und strahlt schneller. Die Zeit, die ein Schwarzes Loch leben kann, ist proportional zu seiner gewürfelten Masse: Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße lebt etwa 10²⁰ länger als ein Schwarzes Loch der Sonnenmasse.
Wenn Sie sich den leeren Raum als Schaum mit Partikel / Antiteilchen-Paaren vorstellen, die in die Existenz hinein- und herausspringen, sehen Sie Strahlung, die vom Schwarzen Loch kommt. Diese Visualisierung ist nicht ganz korrekt, 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 ein- und ausgehen und sich vernichten, um Strahlung zu erzeugen. Dieses stark vereinfachte Bild war qualitativ gut genug, um die Strahlung fern vom Schwarzen Loch zu beschreiben, aber es stellt sich in der Nähe des Ereignishorizonts als falsch heraus. Es ist genauer, sich die Vakuumänderung und die Strahlung so vorzustellen, dass sie von überall dort emittiert wird, wo die Krümmung des Raums relativ groß ist: innerhalb weniger Radien vom Schwarzen Loch selbst. Sobald Sie jedoch weit weg sind, scheint alles nur diese thermische Schwarzkörperstrahlung zu sein.

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

Auf einmal gab es eine Revolution in den Schwarzen Löchern und im Verständnis, wie sich Quantenfelder in stark gekrümmten Räumen verhalten. Es hat das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs geöffnet, da wir uns jetzt fragen, wohin die am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs codierten Informationen gehen, wenn ein Schwarzes Loch verdunstet. Es eröffnet das (verwandte) Problem der Black-Hole-Firewalls und fragt, warum Objekte beim Überqueren des Ereignishorizonts nicht durch Strahlung gebraten werden oder ob dies tatsächlich der Fall ist. Es zeigt uns, dass es eine Beziehung zwischen dem, was innerhalb eines Volumens geschieht (in dem vom Ereignishorizont eingeschlossenen Raum) und der Oberfläche, die es einschließt (dem Ereignishorizont selbst), was ein mögliches Beispiel für das holographische Prinzip im wirklichen Leben ist. Und es öffnet die Tür zu weiteren Feinheiten, die es uns erstmals ermöglichen könnten, die Auswirkungen der Quantengravitation zu untersuchen, wenn Abweichungen von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorliegen.

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

Das Papier, das zu all dem führte, trug einfach den Titel Black Hole Explosions? und wurde 1974 in Nature veröffentlicht. Es wäre die Krönung eines Lebens voller Forschung gewesen, und Hawking veröffentlichte es, als er erst 32 Jahre alt war. Er hatte viele Jahre lang Singularitäten, Schwarze Löcher, Babyuniversen und den Urknall erforscht 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 kam nicht von ungefähr, sondern entstand aus einer Kombination eines brillanten Geistes, der in einem fruchtbaren akademischen Umfeld gedeiht. Es ist für uns alle eine Lehre, wie wichtig es ist, wenn wir diese titanischen theoretischen Fortschritte erzielen wollen, diese Qualitätsumgebungen zu schaffen (und zu finanzieren), in denen Forschung wie diese zum Leben erweckt werden kann.

Außerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs reichen die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenfeldtheorie völlig aus, um die Physik des Geschehens 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 ist dies das Jahrhundert, in dem die Paradoxien gelöst werden und die nächsten titanischen Sprünge in der Physik unternommen werden. Unabhängig davon, was die Zukunft bringt, ist Hawkings Erbe sicher, und jeder Theoretiker kann höchstens 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. Unabhängig davon, wie oft die Ergebnisse von Experimenten mit einer Theorie übereinstimmen, können Sie nie sicher sein, dass das Ergebnis beim nächsten Mal nicht der Theorie widerspricht.

Während die Welt mit Hawkings Tod eine ihrer großen wissenschaftlichen Größen verloren hat, 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 veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.