Was passiert mit Informationen, nachdem sie den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs überschritten haben? Es gab Vorschläge, dass die Geometrie von Wurmlöchern uns helfen könnte, dieses ärgerliche Problem zu lösen – aber die Mathematik war, gelinde gesagt, knifflig.
In einem neuen Artikel hat ein internationales Team von Physikern eine Problemumgehung gefunden, um besser zu verstehen, wie ein kollabierendes Schwarzes Loch vermeiden kann, die Grundgesetze der Quantenphysik zu brechen (mehr dazu gleich).
Obwohl sehr theoretisch, deutet die Arbeit darauf hin, dass es wahrscheinlich Dinge gibt, die uns bei der Suche nach einer Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie mit Quantenmechanik fehlen.
„Wir haben eine neue Raumzeitgeometrie mit einer wurmlochähnlichen Struktur entdeckt, die bei herkömmlichen Berechnungen übersehen worden war“, sagt der Physiker Kanato Goto von der Cornell University und RIKEN in Japan.
“Die mit dieser neuen Geometrie berechnete Entropie ergibt ein völlig anderes Ergebnis.”
Das Informationsparadox des Schwarzen Lochs ist eine der ungelösten Spannungen zwischen Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und der Quantenmechanik.
Unter der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ein Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt. Alles, was über diesen kritischen Punkt hinausgeht, wird unaufhaltsam in die Schwerkraft des Schwarzen Lochs geschlürft, und keine Geschwindigkeit im Universum, nicht einmal die von Licht im Vakuum, reicht aus, um zu entkommen. Es ist weg, das ist es. Kaputt. Unwiederbringlich.
Dann kam Stephen Hawking in den 1970er Jahren, der vorschlug, dass Schwarze Löcher, wenn man die Quantenmechanik in Betracht zieht, doch Strahlung aussenden könnten.
Der Theorie zufolge tritt dies als Ergebnis der Interferenz des Schwarzen Lochs mit den wellenartigen Eigenschaften der umgebenden Partikel auf, wodurch es effektiv mit einer Temperatur „glüht“, die heißer wird, wenn das Schwarze Loch kleiner wird.
Schließlich sollte dieses Leuchten ein Schwarzes Loch zu nichts schrumpfen lassen.
„Dies wird Verdunstung von Schwarzen Löchern genannt, weil das Schwarze Loch schrumpft, genau wie ein verdunstender Wassertropfen“, erklärt Goto.
Da das „Glühen“ nicht so aussieht wie das, was überhaupt in das Schwarze Loch gelangt ist, scheint es, dass alles, was in das verdunstete Schwarze Loch gelangt ist, für immer verschwunden ist. Aber laut Quantenmechanik können Informationen nicht einfach aus dem Universum verschwinden. Viele Physiker haben die Möglichkeit untersucht, dass diese Informationen irgendwie in Hawking-Strahlung kodiert sind.
Goto und sein Team wollten diese Idee mathematisch untersuchen, indem sie die Entropie der Hawking-Strahlung um ein Schwarzes Loch herum berechneten. Das ist das Maß für die Unordnung in einem System und kann verwendet werden, um den Informationsverlust in der Hawking-Strahlung zu diagnostizieren.
Laut einer Veröffentlichung des Physikers Don Page aus dem Jahr 1993 sollte das Paradox der fehlenden Information vermieden werden, wenn sich die Unordnung umkehrt und die Entropie auf Null fällt, wenn ein Schwarzes Loch verschwindet. Leider gibt es in der Quantenmechanik nichts, was diese Umkehrung zulassen würde.
Betreten Sie das Wurmloch oder zumindest eine mathematische Nachbildung eines Wurmlochs unter sehr spezifischen Modellen des Universums. Dies ist eine Verbindung zwischen zwei Regionen einer gekrümmten Schicht der Raumzeit, ein bisschen wie eine Brücke über eine Schlucht.
Wenn wir uns das in Verbindung mit Schwarzen Löchern so vorstellen, erhalten wir eine andere Möglichkeit, die Entropie der Hawking-Strahlung zu berechnen, sagt Goto.
„Ein Wurmloch verbindet das Innere des Schwarzen Lochs und die Strahlung außerhalb wie eine Brücke“, erklärt er.
Als das Team seine Berechnungen mit dem Wurmlochmodell durchführte, stimmten seine Ergebnisse mit der Page-Entropiekurve überein. Dies deutet darauf hin, dass Informationen, die über den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs hinaus gesaugt werden, möglicherweise doch nicht für immer verloren sind.
Aber es bleiben natürlich noch einige Fragen offen. Bis diese beantwortet sind, können wir das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs nicht als endgültig gelöst betrachten.
„Wir kennen noch immer nicht den grundlegenden Mechanismus, wie Informationen von der Strahlung weggetragen werden“, sagt Goto. “Wir brauchen eine Theorie der Quantengravitation.”
Die Forschung wurde in der veröffentlicht Zeitschrift für Hochenergiephysik.