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. Aber selbst die Kombination dieser beiden führt zu einem Informationsparadoxon, das noch nicht gelöst ist. (NASA)

Das Black Hole Information Paradox, Stephen Hawkings größtes Puzzle, ist immer noch ungelöst

Das Paradoxon ist eines, von dem Hawking selbst oft behauptet hat, eine Lösung zu haben, aber keiner der Vorschläge hat der Prüfung standgehalten. Das Paradoxon ist noch ungelöst.

Mit dem Tod von Stephen Hawking hat die Wissenschaft nicht nur ihre bekannteste Persönlichkeit des öffentlichen Lebens verloren, sondern auch einen bemerkenswerten Forscher für die Natur der Schwarzen Löcher. Während sich seine Abschlussarbeit möglicherweise mehr auf einige der existenziellen Herausforderungen konzentriert hat, denen sich die Kosmologie heute gegenübersieht, bestand sein größter wissenschaftlicher Beitrag darin, einige unglaubliche Quantenwahrheiten über das Universum aufzudecken, indem er seine extremsten Objekte untersuchte. Schwarze Löcher, die einst als statisch, unveränderlich und nur durch ihre Masse, Ladung und ihren Spin definiert galten, wurden durch seine Arbeit in sich ständig weiterentwickelnde Motoren umgewandelt, die eine Temperatur hatten, Strahlung emittierten und schließlich im Laufe der Zeit verdampften. Diese inzwischen akzeptierte wissenschaftliche Schlussfolgerung, die auf das Vorhandensein und die Eigenschaften der Hawking-Strahlung schließen lässt, hatte jedoch eine enorme Auswirkung: Schwarze Löcher boten die Möglichkeit, Informationen über das Universum zu zerstören. Trotz mehr als 40 Jahren Arbeit der klügsten Köpfe der Welt an dem Problem bleibt das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs immer noch ungelöst.

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))

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eine der unantastbarsten Regeln des Universums: Nehmen Sie ein beliebiges System, lassen Sie nichts in es eindringen oder es verlassen, und seine Entropie wird niemals spontan abnehmen. Eier entwirren sich nicht spontan, warmes Wasser trennt sich nie in heiße und kalte Abschnitte, und Asche nimmt nicht wieder die Form des Objekts an, das sie vor dem Verbrennen waren. All dies wäre ein Beispiel für eine abnehmende Entropie, und dies geschieht in der Natur nicht von alleine. Die Entropie kann gleich bleiben; unter den meisten Umständen nimmt es zu; aber es kann niemals zu einem Zustand niedrigerer Entropie zurückkehren. Tatsächlich besteht die einzige Möglichkeit, die Entropie künstlich zu verringern, darin, Energie in ein System zu pumpen und das zweite Gesetz zu „betrügen“, indem die Entropie außerhalb des Systems um einen größeren Betrag erhöht wird, als sie in Ihrem System abnimmt. (Die Reinigung Ihres Hauses ist ein Beispiel dafür.) Einfach ausgedrückt, Entropie kann niemals zerstört werden.

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)

Für Schwarze Löcher war der Gedanke - für eine lange Zeit -, dass sie keine Entropie hatten, aber das konnte nicht richtig sein. Wenn die Materie, aus der Sie Schwarze Löcher gemacht haben, eine Entropie ungleich Null hätte, müsste die Entropie durch Werfen dieses Materials in ein Schwarzes Loch steigen oder gleich bleiben. es konnte niemals untergehen. Die Idee für die Entropie eines Schwarzen Lochs geht auf John Wheeler zurück, der darüber nachdachte, was mit einem Objekt passiert, wenn es aus der Sicht eines Beobachters weit außerhalb des Ereignishorizonts in ein Schwarzes Loch fällt. Von weitem scheint sich jemand, der hineinfällt, asymptotisch dem Ereignishorizont zu nähern, aufgrund der Rotverschiebung der Gravitation immer roter zu werden und unendlich lange zu brauchen, um den Horizont zu erreichen, da die relativistische Zeitdilatation wirksam wurde. Die Informationen von allem, was hereinfiel, scheinen daher auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs selbst codiert zu sein.

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)

Da die Masse eines Schwarzen Lochs die Größe seines Ereignishorizonts bestimmt, gab dies einen natürlichen Ort für die Entropie eines Schwarzen Lochs: auf der Oberfläche des Ereignishorizonts. Plötzlich hatten Schwarze Löcher eine enorme Entropie, basierend auf der Anzahl der Quantenbits, die an einem Ereignishorizont einer bestimmten Größe codiert werden konnten. Aber alles, was eine Entropie hat, hat auch eine Temperatur, was bedeutet, dass es strahlt. Wie Hawking bekanntlich demonstrierte, emittieren Schwarze Löcher Strahlung eines bestimmten (Schwarzkörper-) Spektrums und einer bestimmten Temperatur, definiert durch die Masse des Schwarzen Lochs, von dem es kommt. Mit der Zeit bedeutet diese Energieemission, dass das Schwarze Loch aufgrund von Einsteins berühmtem E = mc2 an Masse verliert. Wenn Energie freigesetzt wird, muss sie von irgendwoher kommen, und dieses „irgendwo“ muss das Schwarze Loch selbst sein. Mit der Zeit wird das Schwarze Loch immer schneller an Masse verlieren, bis es in einem strahlenden Lichtblitz weit in der Zukunft vollständig verdunstet.

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

Dies ist eine großartige Geschichte, aber sie hat ein Problem. Die Strahlung, die es aussendet, ist ein reiner Schwarzkörper, was bedeutet, dass es die gleichen Eigenschaften hat, als hätten wir ein vollständig schwarzes Objekt genommen und es auf eine bestimmte Temperatur erwärmt. Die Strahlung ist daher für alle Schwarzen Löcher einer bestimmten Masse genau gleich - und dies ist der Kicker - unabhängig davon, welche Informationen am Ereignishorizont eingeprägt sind oder nicht.

Nach den Gesetzen der Thermodynamik kann dies jedoch nicht sein! Dies entspricht der Zerstörung von Informationen und ist insbesondere das, was nicht zulässig ist.

Alles, was brennt, scheint zerstört zu sein, aber alles über den vorgebrannten Zustand ist im Prinzip wiederherstellbar, wenn wir alles verfolgen, was aus dem Feuer kommt. (Public Domain)

Wenn Sie zwei Bücher gleicher Größe mit sehr unterschiedlichem Inhalt brennen, können Sie möglicherweise den Text eines der beiden Bücher praktisch nicht rekonstruieren, aber die Tintenmuster auf dem Papier, die Variationen der Molekülstrukturen und andere winzige Unterschiede enthalten alle Informationen und Diese Informationen bleiben im Rauch, in der Asche, in der Umgebungsluft und in allen anderen Partikeln im Spiel verschlüsselt. Wenn Sie die Umgebung und die Bücher mit beliebiger Genauigkeit überwachen könnten, könnten Sie alle gewünschten Informationen rekonstruieren. Es ist durcheinander, aber nicht verloren.

Das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs ist jedoch, dass alle Informationen, die am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs eingeprägt wurden, nach dessen Verdunstung keine Spuren in unserem beobachtbaren Universum hinterlassen haben.

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. Schwarze Löcher, die aus verschiedenen Materialien bestehen, sollten jedoch unterschiedliche Informationen haben, die in ihrem Ereignishorizont codiert sind. (EU Communicate Science)

Dieser Informationsverlust sollte nach den Regeln der Quantenmechanik verboten werden. Jedes System kann durch eine Quantenwellenfunktion beschrieben werden, und jede Wellenfunktion ist einzigartig. Wenn Sie Ihr Quantensystem rechtzeitig weiterentwickeln, können zwei verschiedene Systeme nicht zum gleichen Endzustand gelangen, aber genau das impliziert das Informationsparadoxon. Soweit wir es verstehen, muss eines von zwei Dingen geschehen:

  1. Beide Informationen werden wirklich irgendwie zerstört, wenn ein Schwarzes Loch verdunstet, was uns lehrt, dass es neue Regeln und Gesetze für die Verdunstung von Schwarzen Löchern gibt.
  2. Oder die Strahlung, die irgendwie emittiert wird, enthält diese Informationen, was bedeutet, dass Hawking-Strahlung mehr beinhaltet, als die Berechnungen, die wir bisher durchgeführt haben, implizieren.

Dieses Paradoxon, mehr als vierzig Jahre nachdem es zum ersten Mal bemerkt wurde, wurde immer noch nie gelöst.

Eine Illustration der Quantenfluktuationen, die den gesamten Raum durchdringen. Wenn diese Schwankungen irgendwie auf die von einem Schwarzen Loch ausgehende ausgehende Hawking-Strahlung aufgedruckt werden, ist es möglich, dass die auf einem Ereignishorizont codierten Informationen schließlich erhalten bleiben. (NASA / CXC / M.Weiss)

Während Hawkings ursprüngliche Berechnungen zeigen, dass die Verdampfung durch Hawking-Strahlung alle Informationen zerstört, die am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs eingeprägt wurden, ist der moderne Gedanke, dass etwas passieren muss, um diese Informationen in der ausgehenden Strahlung zu codieren. Viele Physiker appellieren an das holographische Prinzip und stellen fest, dass die auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs codierten Informationen Quantenkorrekturen auf den rein thermischen Hawking-Strahlungszustand anwenden und sich auf die Strahlung einprägen, wenn das Schwarze Loch verdunstet und der Ereignishorizont schrumpft. Trotz der Tatsache, dass Hawking, John Preskill, Kip Thorne, Gerard 't Hooft und Leonard Susskind Wetten abgeschlossen und in Bezug auf dieses Problem den Sieg und die Niederlage erklärt haben, bleibt das Paradoxon sehr lebendig und ungelöst, mit vielen anderen hypothetischen Lösungen als der einen hier vorgestellt.

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)

Trotz unserer Bemühungen verstehen wir immer noch nicht, ob Informationen aus einem Schwarzen Loch austreten, wenn sie Energie (und Masse) wegstrahlen. Wenn Informationen verloren gehen, ist unklar, wie diese Informationen durchgesickert sind und wann oder wo Hawkings ursprüngliche Berechnungen zusammenbrechen. Hawking selbst veröffentlichte, obwohl er das Argument vor mehr als einem Jahrzehnt eingeräumt hatte, weiterhin aktiv zu diesem Thema und erklärte oft, er habe das Paradoxon endlich gelöst. Das Paradox bleibt jedoch ungelöst, ohne eine klare Lösung. Vielleicht ist das das größte Erbe, das man in der Wissenschaft erreichen kann: ein neues Problem aufzudecken, das so komplex ist, dass es mehrere Generationen dauern wird, bis die Lösung gefunden ist. In diesem speziellen Fall sind sich fast alle einig, wie die Lösung aussehen soll, aber niemand weiß, wie er dahin kommt. Bis wir dies tun, wird es nur ein weiterer Teil von Hawkings unvergleichlichen, rätselhaften Gaben bleiben, die er mit der Welt teilte.

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.