Schwarze Löcher sind, wie die grundlegende Definition lautet, Regionen der Raumzeit, die durch konzentrierte Masse so deformiert sind, dass nichts – nicht einmal Licht – ihrer Schwerkraft entkommen kann. Die Schwelle dieses Einflusses ist als „Ereignishorizont“ bekannt, jenseits dessen die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um der Gravitationsquelle zu entkommen, die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, die praktisch die Geschwindigkeitsgrenze des Universums darstellt. 1974 zeigte der britische Physiker Stephen Hawking jedoch, dass es einen Weg gibt, wie Energie aus einem Schwarzen Loch ausstrahlen kann – und er beruht auf seltsamen relativistischen Quanteneffekten.
Professor Hawking schlug vor, dass es möglich sei, dass Paare aus subatomaren Teilchen und ihren Antiteilchen-Gegenstücken aufgrund von Schwankungen in der „Vakuumenergie“ des Weltraums spontan entstehen.
Normalerweise würden sich diese Teilchen gegenseitig vernichten, und das wäre alles – aber Prof. Hawking argumentierte, dass, wenn sich diese Teilchen direkt am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs bildeten, es möglich wäre, dass eines mit negativer Energie hineinfällt, während das andere entkommt.
Für den außenstehenden Beobachter scheint es, als würde das Schwarze Loch Strahlung abgeben, und auf diese Weise würde der Körper sowohl Masse als auch Rotationsenergie verlieren.
Schwarze Löcher, die nicht auf andere Weise an Masse gewinnen, „verdampfen“ daher langsam mit einer Rate, die umgekehrt proportional zu ihrer Masse ist, was bedeutet, dass je kleiner ein Schwarzes Loch ist, desto schneller wird es sich auflösen.
Für Prof. Hawking stellte dies jedoch ein Problem dar. Wenn sie diese Wärmestrahlung aussenden, zerstören Schwarze Löcher auch Informationen darüber, was sie gebildet hat – und verstoßen damit gegen eine Grundregel der Quantenmechanik, die besagt, dass jeder physikalische Prozess mathematisch umkehrbar sein sollte und daher nichts, nicht einmal Informationen, vollständig verloren gehen kann .
Dieses Rätsel ist als „Black Hole Information Paradox“ bekannt.
In zwei neuen miteinander verbundenen Studien haben der Physiker Professor Xavier Calmet von der University of Sussex und seine Kollegen gezeigt, dass Schwarze Löcher möglicherweise komplexer sind als bisher angenommen
Insbesondere schlägt das Team vor, dass sie ein Gravitationsfeld beherbergen, das – auf Quantenebene – Informationen darüber kodiert, wie sie entstanden sind, wodurch das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs gelöst wird.
Das Ergebnis stammt aus mathematischen Methoden zur Durchführung von Berechnungen rund um die Quantengravitation, die im Laufe eines Jahrzehnts an der University of Sussex entwickelt wurden.
Diese Berechnungen ergaben, dass unter Berücksichtigung von Quantengravitationskorrekturen Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, dessen Gravitationsfeld prägt.
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Das Team hat diesen Abdruck „Quantenhaar“ genannt, in Anlehnung an einen Witz, den der amerikanische theoretische Physiker John Archibald Wheeler in den sechziger Jahren über Schwarze Löcher gemacht hat.
Er argumentierte, dass sie über ihre Gesamtmasse, Ladung und Drehung hinaus keine beobachtbaren Eigenschaften hätten – und daher im Wesentlichen kahl und ohne Merkmale seien –, sagte er: „Schwarze Löcher haben keine Haare“.
Um zu beweisen, dass Schwarze Löcher doch haarig sind, betrachteten Prof. Calmet und Kollegen die Gravitationsfelder von zwei Sternen, die die gleiche Gesamtmasse und denselben Radius, aber unterschiedliche Zusammensetzungen hatten.
Aus Sicht der klassischen Physik hatten die beiden Körper also das gleiche Gravitationspotential, aus Quantenperspektive betrachtet hängt dieses Potential jedoch von der Zusammensetzung jedes Sterns ab.
Die Berechnungen der Forscher ergaben, dass, als den Sternen der Kernbrennstoff ausging und sie am Ende ihres Lebens in Schwarze Löcher kollabierten, die Erinnerung daran, woraus die Sterne bestanden, in den Gravitationsfeldern der neuen Löcher erhalten blieb, was Hawkings Paradoxon auflöste.
Wie Prof. Calmet gegenüber BBC News sagte: „Das Problem wurde geknackt!“
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Er fügte hinzu: „Schwarze Löcher gelten seit langem als perfektes Labor, um zu untersuchen, wie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zusammengeführt werden kann.
„In der wissenschaftlichen Gemeinschaft wurde allgemein angenommen, dass die Auflösung [the Black Hole Information Paradox] würde einen enormen Paradigmenwechsel in der Physik erfordern, der die potenzielle Neuformulierung entweder der Quantenmechanik oder der Allgemeinen Relativitätstheorie erzwingt.
„Was wir festgestellt haben – und ich finde es besonders aufregend – ist, dass dies nicht notwendig ist.
„Unsere Lösung erfordert keine spekulative Idee, stattdessen zeigt unsere Forschung, dass die beiden Theorien verwendet werden können, um konsistente Berechnungen für Schwarze Löcher durchzuführen und zu erklären, wie Informationen gespeichert werden, ohne dass radikal neue Physik erforderlich ist.
„Es stellt sich heraus, dass Schwarze Löcher tatsächlich gute Kinder sind, die an der Erinnerung an die Sterne festhalten, die sie geboren haben.“
Der Co-Autor des Artikels und theoretische Physiker Stephen Hsu von der Michigan State University fügte hinzu: „Das Konzept einer kausalen [or event] Horizont ist zentral für die Vorstellung eines Schwarzen Lochs.
„Was sich hinter dem Horizont befindet, kann in der klassischen Physik das Äußere nicht beeinflussen.
„Wir haben gezeigt, dass es komplizierte Verflechtungen zwischen dem Quantenzustand der Materie hinter dem Horizont – innerhalb des Lochs – und dem Zustand der Gravitonen außerhalb gibt.
„Diese Verschränkung ermöglicht es, Quanteninformationen über das Innere des Schwarzen Lochs in Hawking-Strahlung zu kodieren, die ins Unendliche entweicht.“
Die vollständigen Ergebnisse der Studien wurden in den Fachzeitschriften Physical Review Letters und Physics Letters B veröffentlicht.