Ein kürzlich Papier von Stephen Hawking hat für Aufsehen gesorgt und sogar Nature News dazu gebracht, zu erklären es gibt keine schwarzen löcher . Wie ich in einem geschrieben habe früherer Beitrag , das ist nicht ganz das, was Hawking behauptet hat. Aber es ist jetzt klar, dass Hawkings Behauptung über Schwarze Löcher falsch ist, denn das Paradox, das er ansprechen will, ist doch kein Paradoxon.
Alles läuft auf das sogenannte Firewall-Paradoxon für Schwarze Löcher hinaus. Das zentrale Merkmal eines Schwarzen Lochs ist sein Ereignishorizont. Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist im Grunde der Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt, wenn man sich einem Schwarzen Loch nähert. In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist der Ereignishorizont der Ort, an dem Raum und Zeit durch die Schwerkraft so verzerrt werden, dass Sie niemals entkommen können. Überqueren Sie den Ereignishorizont und Sie sind für immer gefangen.
Diese einseitige Natur eines Ereignishorizonts war lange Zeit eine Herausforderung für das Verständnis der Gravitationsphysik. Zum Beispiel scheint ein Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs die Gesetze der Thermodynamik zu verletzen. Eines der Prinzipien der Thermodynamik ist, dass nichts eine Temperatur des absoluten Nullpunkts haben sollte. Sogar sehr kalte Dinge strahlen ein wenig Wärme ab, aber wenn ein Schwarzes Loch Licht einfängt, gibt es keine Wärme ab. Ein Schwarzes Loch hätte also eine Temperatur von Null, was nicht möglich sein sollte.
1974 demonstrierte Stephen Hawking dann, dass Schwarze Löcher aufgrund der Quantenmechanik Licht ausstrahlen. In der Quantentheorie gibt es Grenzen dessen, was man über ein Objekt wissen kann. Sie können beispielsweise die genaue Energie eines Objekts nicht kennen. Aufgrund dieser Unsicherheit kann die Energie eines Systems spontan schwanken, solange sein Mittelwert konstant bleibt. Hawking demonstrierte, dass in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs Teilchenpaare auftreten können, wobei ein Teilchen innerhalb des Ereignishorizonts gefangen wird (wodurch die Masse des Schwarzen Lochs geringfügig reduziert wird), während das andere als Strahlung entweichen kann (ein wenig der Energie des Schwarzen Lochs).
Während die Hawking-Strahlung ein Problem mit Schwarzen Löchern löste, führte sie zu einem anderen Problem, das als Firewall-Paradox bekannt ist. Wenn Quantenteilchen paarweise auftreten, sind sie verschränkt, das heißt, sie sind quantenmäßig verbunden. Wenn ein Teilchen vom Schwarzen Loch eingefangen wird und das andere entkommt, dann wird die verschränkte Natur des Paares gebrochen. In der Quantenmechanik würden wir sagen, dass das Teilchenpaar in einem reinen Zustand erscheint und der Ereignishorizont diesen Zustand zu durchbrechen scheint.
Künstlerische Visualisierung von verschränkten Partikeln. Bildnachweis: NIST.
Letztes Jahr ist es wurde gezeigt dass, wenn Hawking-Strahlung in einem reinen Zustand vorliegt, sie entweder nicht in der von der Thermodynamik geforderten Weise strahlen kann, oder sie würde eine Brandmauer aus hochenergetischen Teilchen nahe der Oberfläche des Ereignishorizonts erzeugen. Dies wird oft als Firewall-Paradox bezeichnet, da man nach der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs nichts Ungewöhnliches bemerken sollte. Die Grundidee der Allgemeinen Relativitätstheorie (das Äquivalenzprinzip) erfordert, dass es keine wütende Brandmauer aus hochenergetischen Teilchen geben sollte, wenn Sie frei in die Nähe des Ereignishorizonts fallen. In seiner Arbeit schlug Hawking eine Lösung für dieses Paradox vor, indem er vorschlug, dass Schwarze Löcher keine Ereignishorizonte haben. Stattdessen haben sie scheinbare Horizonte, die keine Firewall erfordern, um der Thermodynamik zu gehorchen. Daher die Deklaration „Keine schwarzen Löcher mehr“ in der Volkspresse.
Aber das Firewall-Paradoxon tritt nur auf, wenn die Hawking-Strahlung in einem reinen Zustand ist und a Papier letzten Monat von Sabine Hossenfelder zeigt, dass die Hawking-Strahlung nicht in reinem Zustand vorliegt. In ihrer Arbeit zeigt Hossenfelder, dass Hawking-Strahlung nicht auf ein Paar verschränkter Teilchen zurückzuführen ist, sondern auf zwei Paare verschränkter Teilchen. Ein verschränktes Paar wird vom Schwarzen Loch gefangen, während das andere verschränkte Paar entkommt. Der Prozess ähnelt dem ursprünglichen Vorschlag von Hawking, aber die Hawking-Teilchen befinden sich nicht in einem reinen Zustand.
Es gibt also kein Paradox. Schwarze Löcher können thermodynamisch strahlen, und die Region in der Nähe des Ereignishorizonts hat keine Firewall, wie es die allgemeine Relativitätstheorie erfordert. Hawkings Vorschlag ist also eine Lösung für ein Problem, das nicht existiert.
Was ich hier präsentiert habe, ist ein sehr grober Überblick über die Situation. Ich habe einige der subtileren Aspekte beschönigt. Für eine detailliertere (und bemerkenswert klarere) Übersicht besuchen Sie Ethan Seigels Beitrag auf seinem Blog beginnt mit einem Knall! Siehe auch den Beitrag auf Blog von Sabine Hossenfelder , Back Reaction, wo sie selbst über das Thema spricht.
