Ein Ritt ins Schwarze Loch

Was passiert, wenn ein Dickhäuter über den Ereignishorizont marschiert?

Es ist ein Gedankenexperiment wie die berühmte Schrödinger-Katze, die sich in der Quantenwelt tummelt. In der Realität ist es natürlich äußerst unwahrscheinlich, dass ein Elefant in ein Schwarzes Loch fällt, aber es ist theoretisch denkbar und dient deswegen den Physikern als Modell, um sich den möglichen Vorgängen rund um die mysteriösen Schwerkraftfallen zu nähern, die in der Mitte von Galaxien kauern und alles verschlingen, was ihnen zu nahe kommt.

Die Idee "dunkler Sterne" ist seit dem Ende des 18. Jahrhundert bekannt, den Begriff Schwarze Löcher prägte John Wheeler aber erst Ende der 60er Jahre. Die bizarren Schwerkraftfallen faszinieren die Astrophysiker und sind Gegenstand intensiver Forschung und vieler Debatten. Eine minimale Definition stammt von Stephen Hawking: "Schwarzes Loch: Region der Raumzeit, aus der nichts, noch nicht einmal Licht, entweichen kann, weil die Gravitation so stark ist." (Das Universum als Nussschale).

Staub, Sternenschutt und interstellares Gas wird durch die Gravitation in das Loch hineingezogen wie in den Abfluss eines Waschbeckens und verschwindet auf Nimmerwiedersehen. Allerdings heizt sich die Materie in dem schnellen Sog auf eine Temperatur von Millionen von Grad auf und leuchtet dabei hell im ganzen Spektrum. Zudem entkommt immer ein Teil der angezogenen Materie dem Abgrund hinter dem Ereignishorizont, sozusagen rülpsend stößt das schwarze Loch sie in gigantischen Ausbrüchen von sich fort. Gigantische superschnelle Materieausflüsse, sogenannte kosmische Jets, strömen dann durchs All (Sensation in der Milchstraße).

Illustration eines Schwarzen Lochs (Bild: NASA)

Den Physiker Leonard Susskind von der Stanford University in Kalifornien beschäftigt die Frage nach dem Elefanten und seinem Sturz in ein Schwarzes Loch seit Jahren. Das Wissenschaftsmagazin New Scientist berichtet in seiner letzten Ausgabe über die Berechnungen des Forschers, die ergeben, dass der Elefant auf seinem Weg über den Ereignishorizont gleichzeitig an zwei Orten sein muss - sowohl tot als auch lebendig.

Nichts ist, was es zu sein scheint. Das Paradox steht nicht einfach für sich, sondern soll der Suche nach der großen vereinheitlichen Theorie - der Vereinheitlichung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik - dienen. Die sogenannte Quantengravitation, der Nachweis der Quantelung von Raum und Zeit, soll die Lösung bringen, das hoffen zumindest viele Astrophysiker (Auf der Suche nach den Zeit-Atomen). Deswegen machen sich höchst ernsthafte Wissenschaftler fundierte Gedanken über Elefanten, die in die gigantischen Gravitationsfallen in der Mitte von Galaxien geraten.

Eine verlorene Wette und Hologramme

Es geht um die Information und das, was mit ihr geschieht, wenn die Schwarzen Löcher langsam in Form von Hawking-Strahlung "verdampfen", bis von ihnen nichts mehr übrig ist. Sie verschwinden mit der Zeit, aber es bleibt die Frage im Raum stehen, was mit der Information geschieht, die in den Objekten, die sie verschlangen, gespeichert war. Nach den Regeln der Quantenphysik darf diese Information nicht verloren gehen. Andererseits scheint ein Entkommen aus den galaktischen Monstern ebenso unmöglich.

Dieses Paradox führte 1997 zu einer berühmten Wette zwischen Stephen Hawking, der zunächst die Meinung vertrat, die Information sei unrettbar verloren und seinen Kontrahenten Kip S. Thorne sowie John Preskill vom California Institute of Technology in Pasadena. 2004 erklärte Stephen Hawking schließlich, er habe die Wette verloren und er bezahlte seine Wettschulden in Form eines Baseball-Lexikons (Schwarze Löcher sind keine Glatzköpfe, sondern haarige Monster).

Der Sinneswandel des populärsten Physikers unserer Zeit beruhte nicht zuletzt auf der Forschung des aus Argentinien stammenden Physikers Juan M. Maldacena, Professor am Institute for Advanced Study in Princeton. Dieser Stringtheoretiker entwarf Ende der 90er Jahre ein Modell, in dem die vier Raum-Zeit-Dimensionen der Quantentheorie mit einem Modell der klassischen Relativitätstheorie in fünf Dimensionen in Beziehung gesetzt werden (Into the fifth dimension). Die Kosmologen bezeichnen es als holografisches Prinzip, weil es an Hologramme) erinnert, die Dreidimensionalität simulieren (Strings und Branen-Welten: einige Aspekte einer vereinheitlichten Theorie aller Wechselwirkungen). Leonard Susskind ist überzeugt von dem Ansatz:

Die Gegner, inklusive Hawking, mussten aufgeben. Er war mathematisch so überzeugend, dass die theoretischen Physiker aus ganz praktischen Erwägungen zu dem Schluss kamen, dass das holografische Prinzip und die Erhaltung von Information richtig sein müssten.

Aber was geschieht mit der Information, wie entkommt sie? Viele Physiker sind der Meinung, dass sie irgendwie in der Hawking-Strahlung erhalten bleibt. Aber Leonard Susskind geht noch weiter. Nach dem holografischen Prinzip kann keine Information verloren gehen - deswegen vertritt er die Meinung, dass kein Beobachter das Verschwinden der Information wahrnehmen kann. Das bringt ihn zum Gedankenexperiment mit dem Elefanten:

Nehmen wir an, es gibt zwei Beobachter. Alice sieht dem Geschehen aus sicherer Distanz zu. Sie beobachtet, wie der Dickhäuter dem Ereignishorizont immer näher kommt, langsamer wird, und dann kurz zu stoppen scheint, und zack, schon löst er sich in Hawking-Strahlung auf, als Aschewolke entströmt er der Falle und schwebt pulverisiert ins All zurück. Die Information bleibt in den Bruchstückchen erhalten.

Der zweite Beobachter, nennen wir ihn Bob, reitet auf dem Rücken des großen Tieres auf den Ereignishorizont zu und stürzt hinein, ohne es überhaupt zu realisieren. Für ihn sieht auch jenseits der Position, hinter der alles Licht unwiederbringlich verschwindet, das Universum immer noch so aus wie zuvor. Während er längst seinem Verhängnis entgegen reitet, bemerkt er zunächst gar nichts davon. Kommt er allerdings dem Zentrum näher, wird er irgendwann zusammen mit dem Elefanten durch die enorme Schwerkraftwirkung wie auf einer Streckbank in die Länge gezogen - aber bis zu diesem Zeitpunkt bleibt auch für ihn alle Information gewahrt.

Alice sieht also etwas völlig anderes als Bob. In ihren Augen löst sich der Elefant am Ereignishorizont in Einzelteile auf. Bob dagegen reitet auch jenseits des Ereignishorizonts noch gemächlich auf dem Tier vor sich hin, bis er (zusammen mit ihm) zur Spaghettiform verarbeitet wird.

Nach den Gesetzen der Physik entsprechen beide Wahrnehmungen der Realität - obwohl sie sich offensichtlich widersprechen. Wenn aber beide wahr sind, dann ist der Elefant sowohl am Ereignishorizont vaporisiert worden und definitiv tot, als auch höchst lebendig auf dem Weg ins Innere der Falle unterwegs. Leonard Susskind erläutert:

Wir haben entdeckt, dass man nicht davon sprechen kann, was vor und was hinter dem Horizont ist. Die Quantenmechanik führt immer wieder dazu, dass man ein "und" mit einem "oder" ersetzen kann. Licht ist Welle oder Teilchen, je nachdem was für ein Experiment man durchführt. Ein Elektron hat eine Position oder einen Impuls, je nachdem was man misst. Das Gleiche gilt für das Schwarze Loch. Entweder beschreiben wir die Materie, die in den Horizont fällt, in den Begriffen jenseits des Horizonts oder wir beschrieben sie in den Begriffen der Hawking-Strahlung, die heraus kommt.

(Andrea Naica-Loebell)