Eine kürzlich erschienene Veröffentlichung von Stephen Hawking hat für Aufsehen gesorgt und sogar Nature News dazu veranlasst, zu erklären, dass es keine schwarzen Löcher gibt. Wie ich in einem früheren Beitrag geschrieben habe, ist das nicht ganz das, was Hawking behauptet hat. Aber es ist jetzt klar, dass Hawkings Behauptung über Schwarze Löcher falsch ist, weil das Paradoxon, das er anzusprechen versucht, doch kein Paradoxon ist.
Es kommt alles auf das sogenannte Firewall-Paradoxon für Schwarze Löcher an. Das zentrale Merkmal eines Schwarzen Lochs ist sein Ereignishorizont. Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist im Grunde der Punkt ohne Wiederkehr, 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 man niemals entkommen kann. Überqueren Sie den Ereignishorizont und Sie sind für immer gefangen.
Diese Einbahnstraße eines Ereignishorizonts war lange Zeit eine Herausforderung für das Verständnis der Gravitationsphysik. Zum Beispiel scheint ein Ereignishorizont des Schwarzen Lochs die Gesetze der Thermodynamik zu verletzen. Eines der Prinzipien der Thermodynamik ist, dass nichts eine Temperatur von absolut Null haben sollte. Selbst sehr kalte Dinge strahlen ein wenig Wärme aus, 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.
Dann demonstrierte Stephen Hawking 1974, dass Schwarze Löcher aufgrund der Quantenmechanik Licht ausstrahlen. In der Quantentheorie gibt es Grenzen für das, was über ein Objekt bekannt sein kann. Beispielsweise können Sie die genaue Energie eines Objekts nicht kennen. Aufgrund dieser Unsicherheit kann die Energie eines Systems spontan schwanken, solange sein Durchschnitt konstant bleibt. Was Hawking demonstrierte, ist, dass in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs Partikelpaare auftreten können, bei denen ein Partikel im Ereignishorizont eingeschlossen wird (wodurch die Masse der Schwarzen Löcher geringfügig reduziert wird), während das andere als Strahlung entweichen kann (ein wenig von der Energie des Schwarzen Lochs).
Während Hawking-Strahlung ein Problem mit Schwarzen Löchern löste, entstand ein anderes Problem, das als Firewall-Paradoxon bekannt ist. Wenn Quantenteilchen paarweise auftreten, sind sie verwickelt, was bedeutet, dass sie quantenweise verbunden sind. Wenn ein Teilchen vom Schwarzen Loch eingefangen wird und das andere entweicht, ist 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 brechen scheint.
Letztes Jahr wurde gezeigt, dass Hawking-Strahlung, wenn sie sich in einem reinen Zustand befindet, entweder nicht in der von der Thermodynamik geforderten Weise strahlen kann oder eine Firewall aus energiereichen Partikeln nahe der Oberfläche des Ereignishorizonts erzeugen würde. Dies wird oft als Firewall-Paradox bezeichnet, da Sie gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie nichts Ungewöhnliches bemerken sollten, wenn Sie sich in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs befinden. Die Grundidee der allgemeinen Relativitätstheorie (das Äquivalenzprinzip) erfordert, dass es keine tobende Firewall aus energiereichen Partikeln geben sollte, wenn Sie sich frei dem Ereignishorizont nähern. In seiner Arbeit schlug Hawking eine Lösung für dieses Paradox vor, indem er vorschlug, dass Schwarze Löcher keinen Ereignishorizont haben. Stattdessen haben sie offensichtliche Horizonte, für die keine Firewall erforderlich ist, um der Thermodynamik zu entsprechen. Daher die Erklärung „keine schwarzen Löcher mehr“ in der populären Presse.
Das Firewall-Paradoxon entsteht jedoch nur, wenn sich die Hawking-Strahlung in einem reinen Zustand befindet, und ein Artikel von Sabine Hossenfelder vom letzten Monat zeigt, dass sich die Hawking-Strahlung nicht in einem reinen Zustand befindet. In ihrer Arbeit zeigt Hossenfelder, dass Hawking-Strahlung nicht auf ein Paar verschränkter Partikel zurückzuführen ist, sondern auf zwei Paare verschränkter Partikel. Ein verwickeltes Paar wird vom Schwarzen Loch gefangen, während das andere verwickelte Paar entkommt. Der Prozess ähnelt dem ursprünglichen Vorschlag von Hawking, aber die Hawking-Partikel befinden sich nicht in einem reinen Zustand.
Es gibt also kein Paradoxon. Schwarze Löcher können auf eine Weise strahlen, die mit der Thermodynamik übereinstimmt, und die Region in der Nähe des Ereignishorizonts verfügt nicht über eine Firewall, wie es die allgemeine Relativitätstheorie erfordert. Hawkings Vorschlag ist also eine Lösung für ein Problem, das es nicht gibt.
Was ich hier vorgestellt habe, ist ein sehr grober Überblick über die Situation. Ich habe einige der subtileren Aspekte beschönigt. Eine detailliertere (und bemerkenswert klare) Übersicht finden Sie in Ethan Seigels Beitrag in seinem Blog Starts With a Bang! Lesen Sie auch den Beitrag auf Sabine Hossenfelders Blog Back Reaction, in dem sie selbst über das Problem spricht.
