Im Jahr 1967 hielt der Physiker John Wheeler einen Vortrag über ein mysteriöses und verblüffendes Phänomen im Weltraum, das die Fachwelt gerade erst zu verstehen begann. Aber es gab keinen passenden Namen. Auch Wheeler und sein Publikum waren es leid, immer und immer wieder „durch die Schwerkraft vollständig kollabiertes Objekt“ zu hören, also schlug jemand eine Idee für einen anderen Namen vor. Einige Wochen später stellte Wheeler auf einer anderen Konferenz den Vorschlag vor: schwarzes Loch. Und es ist perfekt, nicht wahr? Wie sonst würde man einen dunklen Abgrund nennen, der Licht und Materie verschluckt und nicht loslässt?
Jahrzehnte später sind uns Schwarze Löcher – unsichtbar, undurchdringlich und viele Lichtjahre entfernt – vertrauter als je zuvor. Wir wissen, dass sich supermassive Versionen im Zentrum der meisten Galaxien befinden, einschließlich unserer eigenen Milchstraße. Im Jahr 2019 erreichten uns sogar Bilder, die ein Schwarzes Loch als imposanten Schatten vor dem Leuchten kosmischer Materie zeigen. Wissenschaftler haben die Gravitationswellen entdeckt, die entstehen, wenn Schwarze Löcher aufeinander prallen; Wie wir kürzlich erfahren haben, könnte der gesamte Kosmos unter der Kraft solcher Kollisionen summen. Die Liste geht weiter.
Aber das große Rätsel bleibt bestehen: Wir wissen nicht, was sich im Zentrum eines Schwarzen Lochs befindet, jenseits der Grenze, an der die Materie für immer außer Sichtweite verschwindet. „Die Frage ist definitiv beantwortbar, da jemand in das Schwarze Loch fallen und die Antwort herausfinden könnte“, sagte mir Eliot Quataert, ein theoretischer Astrophysiker in Princeton, in einer E-Mail. „Das Problem ist, dass sie diese Antwort niemandem außerhalb des Schwarzen Lochs übermitteln konnten – weil nichts herauskommen kann.“
Da eine solche praktische Beobachtung unmöglich ist, müssen Wissenschaftler sich dem Thema theoretisch nähern. Die Anstrengung umfasst umwerfende physikalische Berechnungen, endlose Gedankenexperimente und die ernsthafte Auseinandersetzung mit der Möglichkeit, dass das Universum wunderbar seltsamer ist, als wir uns vorstellen können. Es erfordert auch zu akzeptieren, dass wir es nie wirklich tun werden wissen sicher, was sich in einem Schwarzen Loch befindet.
Für uns Erdlinge könnte ein Abgrund ohne Boden, der größer ist als die Sonne, schwer vorstellbar sein. „Schwarze Löcher sind keine festen Objekte wie Planeten oder Asteroiden“, sagte mir Shane Larson, Physikprofessor an der Northwestern University. Sie sind eher so Regionen im Weltraum scheinbar leere Flecken, die durch die wild um sie kreisenden Sterne sichtbar werden. „Es ist wie ein offenes Fenster“, sagte Larson: eine unsichtbare Linie, die das Äußere vom Inneren trennt.
Um zu verstehen, warum Schwarze Löcher unser Verständnis der kosmischen Kräfte erschweren, müssen wir über ihre Struktur nachdenken. Wenn ein Schwarzes Loch eine Schokoladenkugel von Ferrero Rocher wäre, wäre die erste Schicht aus Schokolade und zerkleinerten Haselnüssen die Region direkt außerhalb des Ereignishorizonts, wo die Schwerkraft noch schwach genug ist, dass ein naher Stern sicher vorbeifliegen und nicht hineinfallen könnte. Als Nächstes ist eine Schicht knuspriger Waffel; Dies ist der Ereignishorizont, der Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt. Unter dieser Schicht liegt eine glatte Schokoladenfüllung, durch die eingeschlossenes kosmisches Material zur Mitte gesaugt wird. Und dann ist da noch das Herzstück der Ferrero-Süßigkeit, die ganze, geröstete Haselnuss. Das ist die Singularität, ein winziger, konzentrierter Punkt von unendlicher Dichte.
Physiker glauben, auf der Grundlage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zu verstehen, wie der Raum jenseits des Ereignishorizonts – fast durch die gesamte Schokoladenfüllung hindurch – aussehen sollte. Wenn ein Astronaut in ein Schwarzes Loch fallen würde, würde er hinabsteigen und je tiefer er vordringen würde, desto mehr würde er das Gefüge der Raum-Zeit-Krümmung um sich herum spüren. Die Theorie von 1915 beschreibt gut, was in einer solch extremen Umgebung passieren muss, in der die Schwerkraft alle anderen Kräfte im Universum überwältigt. Das Problem beginnt weiter innen, näher an der Singularität, wo „die Gesetze der Physik, wie wir sie derzeit verstehen, zusammenbrechen“, sagte Larson.
Tief im Inneren eines Schwarzen Lochs reicht die allgemeine Relativitätstheorie nicht aus, um zu erklären, was passiert; Sie brauchen auch eine andere Art von Physik, die Quantenmechanik, die sich mit den kleinsten Teilchen des Universums, Atomen und ihren noch kleineren Bestandteilen beschäftigt. „Wenn alle Materie auf einen Punkt zusammenfällt“, wie es bei einem Schwarzen Loch der Fall ist, „wird die Größe so klein, dass Quanteneffekte wichtig werden“, sagte mir James Miller-Jones, ein Astronom an der Curtin University in Australien, in einer E-Mail. Leider vertragen sich die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik nicht.
Nach den Prinzipien der Allgemeinen Relativitätstheorie ist etwas, das einmal in ein Schwarzes Loch gelangt, für immer verloren. Sie können einige grundlegende Eigenschaften des Schwarzen Lochs bestimmen, beispielsweise seine Masse, nicht jedoch seine Bestandteile. In den 1970er Jahren zeigte Stephen Hawking, dass es tatsächlich Schwarze Löcher gibt verdampfen sehr langsam und emittiert Strahlung knapp außerhalb des Ereignishorizonts. Für die Quantenmechanik, die besagt, dass Informationen nicht zerstört werden können, hätte diese Entwicklung spannend sein müssen. „Wenn jemand ein fertiges Puzzle auseinandernehmen und in Ihrem Garten verteilen würde, könnten Sie die Teile einsammeln und wieder zusammensetzen“, sagte mir Nicholas Warner, Professor für Physik und Astronomie an der University of Southern California. Ohne ein Bild als Orientierung würde es einige Zeit und Mühe kosten, aber die Quantentheorie sagt es könnte Tu es. Doch die von Schwarzen Löchern ausströmenden Teilchen scheinen keinerlei Informationen über den Inhalt ihres Inneren zu haben – ein klarer Verstoß gegen dieses Prinzip. Es ist, als hätte jemand all diese Puzzleteile durch eine Waschmaschine laufen lassen und „sie werden alle zu diesem klebrigen, grauen Durcheinander“, sagte Warner.
Theoretische Physiker auf der ganzen Welt versuchen, die Diskrepanz zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik auszugleichen. Warner gehört zu dem Lager, das glaubt, dass Einsteins Theorie – genau die Prinzipien, die die Existenz von Schwarzen Löchern vorhersagten, bevor Astronomen Beweise dafür fanden – unvollständig ist. Andere Experten sind der gleichen Meinung, sagen jedoch, dass Einstein nicht der einzige Schuldige ist. „Vielleicht muss man auch die Quantenmechanik ändern“, sagte mir Daniel Harlow, Physiker am MIT. Harlow und seine Kollegen haben postuliert, dass die von Hawking entdeckte Strahlung tatsächlich mit Informationen aus der Tiefe kodiert ist und unser Verständnis der Quantenmechanik noch nicht gut genug ist, um sie zu entschlüsseln.
Jeder sucht nach einer Theorie der Quantengravitation, die jeden Widerspruch vermeidet. „So etwas haben wir nicht“, sagte mir Charles Hailey, ein Astrophysiker an der Columbia University. “Nicht annähernd.” Aber einige Physiker, mit denen ich gesprochen habe, sagten, dass das Feld es innerhalb von Jahrzehnten, sicherlich noch in diesem Jahrhundert, knacken könnte. Die Wissenschaftler würden es endlich wissen – aber natürlich nur im theoretischen Sinne.
Das ist die Sache mit Schwarzen Löchern. Wir können der Wahrheit nur so nahe kommen, nur bestimmte Arten davon erleben wissend. Selbst die leistungsstarken Teleskope, die uns fast bis zum Urknall funkelnde Galaxien gezeigt haben, können uns hier nicht weiterhelfen. „Aus Beobachtungen werden wir in diesem Jahrhundert mit ziemlicher Sicherheit nichts über das Innere von Schwarzen Löchern erfahren“, sagte mir Carl Rodriguez, Physikprofessor an der University of North Carolina in Chapel Hill, in einer E-Mail. Das Beste, was wir tun können, ist, einige davon zu studieren Auswirkungen von Schwarzen Löchern. Maya Fishbach, Astrophysikerin an der University of Toronto, glaubt, dass wir mehr erfahren werden, wenn wir die unsichtbaren Gravitationswellen untersuchen, die sich ausbreiten, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren und zu einem verschmelzen. Diese Wellen tragen Informationen über das neu entstandene Schwarze Loch mit sich, das nach seiner Entstehung wie eine Glocke vibriert. „So wie das Hören einer Glocke uns sagen kann, woraus die Glocke besteht, können wir beim Hören des Schwarzen Lochs erkennen, woraus sie besteht.“ [ringing] kann uns sagen, woraus das Schwarze Loch besteht“, erzählte mir Fishbach.
Aber die reinste Form der Entdeckung wird immer unerreichbar bleiben. „Wenn ‚wissen‘ bedeutet, dass ein Schüler eine Exkursion machen, direkt mit seinen eigenen Sinnen beobachten und dann zurückkommen und einen Klassenbericht über das, was er beobachtet hat, schreiben könnte, dann werden wir nie wissen, was sich darin befindet“, sagte Larson. Vielleicht ist das nicht das Schlimmste. „Wenn es leicht wäre, auf solche Situationen zu stoßen“ – Umgebungen mit extremer Schwerkraft, die einen in den Abgrund zieht – „wäre das wahrscheinlich schlecht für uns“, sagte Harlow. Es ist sicherer, Schwarze Löcher aus der Ferne zu untersuchen, in unserer ruhigen kosmischen Nachbarschaft, wo die Schwerkraft viel schwächer ist und wir sie jeden Tag überwinden, indem wir einfach die Decke zurückziehen und morgens aus dem Bett aufstehen.