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

Das Black Hole Information Paradoxon, Stephen Hawkings größtes Rätsel, ist immer noch ungelöst

Das Paradoxon ist eines, von dem Hawking selbst behauptete, es habe schon viele Male eine Lösung gefunden, aber keiner der Vorschläge hat der Prüfung standgehalten. Das Paradox ist immer noch ungelöst.

Mit dem Tod von Stephen Hawking hat die Wissenschaft nicht nur die 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 durch die Untersuchung seiner extremsten Objekte aufzudecken. Schwarze Löcher, die einst als statisch, unveränderlich und nur durch ihre Masse, Ladung und Drehung definiert galten, wurden durch seine Arbeit in sich ständig weiterentwickelnde Motoren verwandelt, die eine Temperatur aufwiesen, Strahlung emittierten und schließlich im Laufe der Zeit verdampften. Diese jetzt akzeptierte wissenschaftliche Schlussfolgerung, die auf das Vorhandensein und die Eigenschaften der Hawking-Strahlung schließen lässt, hatte jedoch eine enorme Bedeutung: Schwarze Löcher boten einen Weg, Informationen über das Universum zu zerstören. Trotz mehr als 40 Jahren Arbeit der klügsten Köpfe der Welt an dem Problem ist das Paradoxon der Information über das Schwarze Loch immer noch ungelöst.

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))

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eine der unantastbarsten Regeln des Universums: Nehmen Sie ein beliebiges System, lassen Sie nichts hinein oder heraus, und die Entropie nimmt niemals spontan ab. Eier entwirren sich nicht spontan, warmes Wasser teilt sich nie in heiße und kalte Abschnitte und Asche bildet nicht wieder die Form des Objekts, das sie vor dem Verbrennen hatten. All dies wäre ein Beispiel für eine abnehmende Entropie, und dies kommt in der Natur nicht von alleine vor. Entropie kann gleich bleiben; unter den meisten Umständen nimmt es zu; es kann jedoch niemals in einen Zustand niedrigerer Entropie zurückkehren. Tatsächlich besteht die einzige Möglichkeit, die Entropie künstlich zu verringern, darin, Energie in ein System zu pumpen und den zweiten Hauptsatz 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 gesagt, 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 - lange Zeit -, dass sie keine Entropie hatten, aber das konnte nicht stimmen. Wenn die Materie, aus der Sie schwarze Löcher gemacht haben, eine Entropie ungleich Null hätte, müsste die Entropie steigen oder gleich bleiben, wenn Sie das Material in ein schwarzes Loch werfen. es könnte 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. Aus der Ferne scheint sich jemand, der hereinfällt, asymptotisch dem Ereignishorizont zu nähern, sich aufgrund der gravitativen Rotverschiebung immer röter zu färben und unendlich lange zu brauchen, um den Horizont zu erreichen, da die relativistische Zeitdilatation wirksam wurde. Die Informationen, die von irgendetwas stammen, scheinen daher auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs selbst codiert zu sein.

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)

Da die Masse eines Schwarzen Lochs die Größe seines Ereignishorizonts bestimmt, gab dies einen natürlichen Ort für die Existenz der Entropie eines Schwarzen Lochs: auf der Oberfläche des Ereignishorizonts. Plötzlich hatten schwarze Löcher eine enorme Entropie, basierend auf der Anzahl der Quantenbits, die auf einem Ereignishorizont einer bestimmten Größe codiert werden konnten. Aber alles, was eine Entropie hat, hat auch eine Temperatur, dh es strahlt. Wie Hawking bekanntermaßen gezeigt hat, senden Schwarze Löcher Strahlung mit einem bestimmten (Schwarzkörper-) Spektrum und einer bestimmten Temperatur aus, die durch die Masse des Schwarzen Lochs definiert sind, aus dem es stammt. 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 weit in die Zukunft gehenden Lichtblitz vollständig verdunstet.

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

Dies ist eine großartige Geschichte, aber sie hat ein Problem. Die Strahlung, die es aussendet, ist ein reiner Schwarzkörper, das heißt, es hat die gleichen Eigenschaften, als hätten wir ein vollständig schwarzes Objekt genommen und es auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. 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! Das ist das Äquivalent zur Zerstörung von Informationen und genau das, was nicht erlaubt ist.

Alles, was brennt, scheint zerstört zu sein, aber alles, was vorgebrannt ist, kann im Prinzip wiederhergestellt werden, wenn wir alles nachverfolgen, was aus dem Feuer kommt. (Gemeinfrei)

Wenn Sie zwei Bücher mit identischer Größe und sehr unterschiedlichem Inhalt brennen, können Sie möglicherweise den Text beider Bücher praktisch nicht rekonstruieren, aber die Farbmuster auf dem Papier, die Unterschiede in der Molekülstruktur 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 darin enthaltenen Bücher mit beliebiger Genauigkeit überwachen könnten, wären Sie in der Lage, alle gewünschten Informationen zu rekonstruieren. Es ist verschlüsselt, 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 mit der Zeit. Schwarze Löcher, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, sollten jedoch unterschiedliche Informationen haben, die auf ihren Veranstaltungshorizonten kodiert sind. (EUs Communicate Science)

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

  1. Jede Information wird auf irgendeine Weise 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 wurde, enthält diese Informationen, was bedeutet, dass Hawking-Strahlung mehr enthält als die Berechnungen, die wir bisher durchgeführt haben.

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

Eine Illustration der Quantenfluktuationen, die den gesamten Raum durchdringen. Wenn diese Schwankungen auf irgendeine Weise in die aus einem Schwarzen Loch austretende Hawking-Strahlung eingeprägt werden, ist es möglich, dass die auf einem Ereignishorizont codierten Informationen doch erhalten bleiben. (NASA / CXC / M.Weiss)

Während die ursprünglichen Berechnungen von Hawking zeigen, dass die Verdampfung durch Hawking-Strahlung alle Informationen zerstört, die auf dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs eingeprägt wurden, ist der moderne Gedanke, dass etwas passieren muss, um diese Informationen in der ausgehenden Strahlung zu kodieren. 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 in 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 haben und in Bezug auf dieses Problem Sieg und Niederlage erklärt haben, bleibt das Paradoxon sehr lebendig und ungelöst, mit vielen anderen hypothetischen Lösungen 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 Werk von 1974 war das erste, das dies demonstrierte, und es war wohl seine größte wissenschaftliche Errungenschaft. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al .; ESA)

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

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.