Schwarze Löcher sind keine Glatzköpfe, sondern haarige Monster

Eine Physiker-Wette scheint entschieden. Wissenschaftler haben mithilfe der String-Theorie berechnet, dass Informationen in Schwarzen Löchern nicht verschwinden

1997 machte die Wette von drei führenden theoretischen Physikern Schlagzeilen: Stephen Hawking und Kip Thorne wetteten gegen John Preskill, der die Meinung vertrat, Informationen würden von Schwarzen Löchern nicht endgültig geschluckt.

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Illustration eines Schwarzen Lochs mit innerer Scheibe aus heißem Gas und umgebendem kühleren Gas inklusive Staub in Form eines Doughnuts, Bild: Chandra7 CXC/M.Weiss

Die drei hatten schon öfter gewettet und öffentlich gemacht, worum es ging. In diesem Fall lautete die Wettformulierung präzise:

Whereas Stephen Hawking and Kip Thorne firmly believe that information swallowed by a black hole is forever hidden from the outside universe, and can never be revealed even as the black hole evaporates and completely disappears, And whereas John Preskill firmly believes that a mechanism for the information to be released by the evaporating black hole must and will be found in the correct theory of quantum gravity, Therefore Preskill offers, and Hawking/Thorne accept, a wager that: When an initial pure quantum state undergoes gravitational collapse to form a black hole, the final state at the end of black hole evaporation will always be a pure quantum state. The loser(s) will reward the winner(s) with an encyclopedia of the winner's choice, from which information can be recovered at will.

Black Hole Bets

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Der Hintergrund der ganzen Angelegenheit sind die vielen unbeantworteten Fragen rund um die Schwarzen Löcher, die wahrscheinlich überall im Universum lauern, besonders in der Mitte von Galaxien, selbst in unserer Milchstraße (vgl. Sensation in der Milchstraße). Unbarmherzig verschlingen die kosmischen Monster alles, was ihnen zu nahe kommt, sogar ganze Sterne (vgl. Vom supermassiven Schwarzen Loch zerfetzt). 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." (vgl. Das Universum als Nussschale).

Die Idee "dunkler Sterne" ist seit dem Ende des 18. Jahrhundert bekannt, den Begriff "schwarze Löcher" prägte John Wheeler (http://www.usd.edu/phys/courses/phys300/gallery/clark/wheeler.html) aber erst 1969. Inzwischen zweifelt niemand mehr wirklicht an der Existenz der galaktischen Staubsauger, die indirekt durch die Materie, die sie in sich hinein saugen, beobachtet werden können. Diese Materie leuchtet auf ihrem Weg in den Schlund hell auf und verrät so das dunkle Gespenst eines toten Sterns, das hinter ihr kauert und sie in sich hineinzieht. Wie groß ein schwarzes Loch ist, hängt von der Größe des Sterns ab, aus dessen Kollaps es entsteht. Im Fall unserer Sonne wäre das zum Beispiel ein Durchmesser von ungefähr drei Kilometern, im Fall der Erde gerade mal ein Zentimeter.

Viel ist darüber spekuliert worden, was mit dem Gas und dem Licht geschieht, das hinter den Ereignishorizont, den Rand eines schwarzen Lochs, stürzt. Russische Astrophysiker haben sogar ernsthaft darüber spekuliert, wie man es unbeschadet durchqueren könnte (vgl. Survival Training im Inneren eines Schwarzen Lochs). Stephen Hawking hat sich eingehend mit schwarzen Löchern beschäftigt, die Theorie über die Hawking-Strahlung entsprang dieser Auseinandersetzung (vgl. Anweisungen zur Herstellung eines künstlichen Schwarzes Lochs).

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Aufgrund seiner Studien kam er zu der Überzeugung, dass die Information, die sich einmal jenseits des Ereignishorizonts, des Point-of-no-Return befindet, endgültig verloren ist. Schwarze Löcher definieren sich nur über ihre Masse, ihre Ladung und ihre Rotationsgeschwindigkeit, jede weitere Information, speziell über den Stern, aus dem sich ursprünglich entstanden, ist komplett verloren. Diese Auffassung ist der so genannte "Glatzensatz", der sich aus einem launigen Zitat von John Wheeler ergab: "Schwarze Löcher haben keine Haare" - also keine Individualität.

Genau darüber haben die drei Physiker vor sieben Jahren diskutiert und dann die Wette abgeschlossen, denn John Preskill hielt die kosmischen Allesfresser im Gegensatz zu seinen Kollegen für eine haarige Angelegenheit. Er war davon überzeugt, weil der Glatzensatz im Grunde gegen die Gesetze der Quantenphysik verstößt und ein Informationsparadoxon erzeugt.

Jetzt haben Samir Mathur, Ashish Saxena und Yogesh Srivastava von der Ohio State University sich der String-Theorie bedient und veröffentlichen in der Fachzeitschrift Nuclear Physics B ihren Artikel "Constructing `hair' for the three charge hole" (online bei arXiv). Die String-Theorie ist der momentan vielsprechendste Ansatz, um Relativitätstheorie und Quantenmechanik unter einen Hut bringen. Sie besagt, dass alle Teilchen Strings sind, eine Art vibrierende Saiten (Englisch: strings), wie die auf einer Gitarre. Die Elementarteilchen sind also nicht punktförmig, sondern winzige, schwingende, geschlossene oder auch offene Fäden.

Diese Theorie wirft aber wichtige, bisher unbeantwortete Fragen auf. Dazu gehören mathematische Probleme, nötige zusätzliche Dimensionen des Raumes, aber auch die Messbarkeit, denn Strings sollen fadenförmig und mit einem Durchmesser von etwa 10 hoch minus 33 extrem dünn sein (vgl. The Official String Theory Web Site). Bisher gibt es keinen experimentellen Beweis für die Richtigkeit der String-Theorie (vgl. Auf der Suche nach den Dimensionen des Raums).

Mathur und seine Kollegen legen sie ihren Kalkulationen zugrunde und zeigen auf, dass schwarze Löcher von ihrem Grund bis zu ihrem Ereignishorizont mit Bündeln der schwingenden Strings angefüllt sind, in denen die Information erhalten bleibt. Sie sind also keine Glatzköpfe, sondern äußerst haarige Monster. Das Futter der schwarzen Raubtiere des Alls, die verschlungenen Teilchen, verlieren ihre Individualität im Innern der gefräßigen Dunkelheit nicht. Was und wie sie waren, ist sozusagen in den Strings gespeichert, die Information existiert weiter.

Die Forscher gehen davon aus, dass Hawking und Thorne ihre Wettschulden jetzt begleichen werden. Marthur ist überzeugt, dass die Wissenschaftswelt insgesamt nicht sonderlich überrascht sein wird:

Ich denke, dass die meisten Leute die Idee, dass die Information vernichtet würde, aufgegeben haben, als 1995 die String-Theorie populär wurde. Bisher war schlicht nur niemand fähig zu beweisen, dass die Information überlebt. (...) Das Problem mit der klassischen Theorie ist, dass jede Kombination von Teilchen verwendet werden könnte, um ein schwarzes Loch herzustellen: Protonen, Elektronen, Sterne, Planeten, was auch immer - es würde keinen Unterschied machen. Es muss Milliarden von Möglichkeiten geben, wie ein schwarzes Loch entsteht, aber mit dem klassischen Modell wäre der finale Zustand des Systems immer gleich.

Die String-Theoretiker hatten das Informationsparadoxon als eines der wichtigsten zu lösenden Probleme des neuen Jahrtausends definiert und Mathur arbeitete seit Jahren an dem Problem. Zusammen mit seinen Kollegen berechnete er die Struktur von Objekten, die zwischen einfachen String-Zuständen und großen schwarzen Löchern lagen. Zunehmend kristallisierte sich heraus, dass im Innern der kosmischen Monster eine haarige String-Struktur herrschen muss. Das Geheimnis ist die so genannte "fraktionierte Spannung" (fractional tension). Strings sind dehnbar und jedes trägt eine bestimmte Spannung, ähnlich einer gespannten Gitarrensaite. Durch das Phänomen der fraktionierten Spannung nimmt die Spannung der Strings ab, wenn sie länger werden. Wenn viele Strings zusammen kommen, wie im Fall eines sehr massiven schwarzen Lochs, ist der entstehende Ball von Strings dann sehr dehnbar.

Die Forschungen der Physiker von der Ohio State University ergaben, dass der von ihnen mit ihrer Formel berechnete Durchmesser eines haarigen schwarzen Loches mit einer String-Struktur der nach dem klassischen Modell errechneten Größe eines schwarzen Loches entspricht. Wenn sie Recht behalten, sind schwarze Löcher genauso individuell wie die Sterne oder Galaxien, aus denen sie entstanden sind. (Andrea Naica-Loebell)

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