Während uns die Physik sagt, dass Informationen weder erstellt noch zerstört werden können (wenn Informationen erstellt oder zerstört werden könnten, wäre die gesamte Daseinsberechtigung der Physik, nämlich zukünftige Ereignisse vorherzusagen oder die Ursachen bestehender Situationen zu identifizieren, unmöglich), es verlangt nicht, dass die Informationen zugänglich sein müssen. Jahrzehntelang gingen Physiker davon aus, dass die Informationen, die in ein Schwarzes Loch gefallen sind, immer noch da sind, immer noch existieren, nur dass sie nicht sichtbar sind.
Das war in Ordnung, bis Stephen Hawking in den 1970er Jahren die geheime Komplexität des Ereignishorizonts entdeckte. Es stellt sich heraus, dass diese dunklen Kreaturen nicht so einfach waren, wie wir glauben gemacht hatten, und dass die Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern einer der wenigen Orte im gesamten Kosmos sind, an denen die Schwerkraft auf offensichtliche Weise auf die Quantenmechanik trifft.
Das Bestreben, Quantenmechanik und Schwerkraft zu vereinen, reicht über ein Jahrhundert zurück, kurz nach der Entwicklung dieser beiden großen Bereiche der Physik. Was ihre Vereinigung verhinderte, war die Verbreitung von Unendlichkeiten in der Mathematik. Immer wenn die Schwerkraft auf kleinen Skalen stark wurde, divergierten unsere Gleichungen ins Unendliche und lieferten nutzlose Nicht-Ergebnisse. Doch hier befinden wir uns an den Grenzen von Schwarzen Löchern, die per Definition Orte starker Schwerkraft sind. Und da es sich bei den Ereignishorizonten um mathematische Konstrukte und nicht um tatsächliche Oberflächen mit endlicher Ausdehnung handelt, müssen wir sie, um sie wirklich zu verstehen, mikroskopisch untersuchen, wodurch sie fest im Bereich der Quanten verankert werden.
Starke Schwerkraft im kleinen Maßstab. Während unsere Mathematik explodiert, ist dies bei Schwarzen Löchern mit Sicherheit nicht der Fall. Etwas muss Schwerkraft und Quantenmechanik vereinen, ein mathematischer Trick oder eine Leistung physikalischer Einsicht, und was auch immer diese Aufgabe erfüllt, geschieht hier am Ereignishorizont jedes Schwarzen Lochs im Universum.
Hawking und andere starteten in den 1970er-Jahren ein Programm, bei dem Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern genutzt wurden, um die kombinierte Natur von Schwerkraft und Quantenmechanik unter extremen Bedingungen zu erforschen, in der Hoffnung, einen Hinweis auf ihre Verbindung zu finden. Und obwohl dieses Programm sein volles Potenzial noch nicht ausgeschöpft hat, hat Hawking etwas völlig Außergewöhnliches über Schwarze Löcher entdeckt, als ob sie nicht schon außergewöhnlich genug wären.
Bildnachweis: Universe Today
Er entdeckte, dass Schwarze Löcher streng genommen nicht völlig schwarz sind. Durch ein bizarres Zusammenspiel der Quantennatur der Realität und der Bildung von Ereignishorizonten bei der Geburt von Schwarzen Löchern sind sie in der Lage, eine kleine Menge Strahlung auszusenden. Um es ganz klar zu sagen: Die Strahlungsmenge, die von Schwarzen Löchern ausgeht, ist nahezu Null. Ein typisches Schwarzes Loch mit einer Masse, die ein paar Mal so groß ist wie die der Sonne, emittiert beispielsweise jedes Jahr etwa ein einziges Photon. Daher ist es unwahrscheinlich, dass Sie mit Ihrem Gartenteleskop ein leuchtendes Schwarzes Loch finden (und da das Universum buchstäblich vor Strahlung brennt, verbrauchen Schwarze Löcher derzeit weit mehr, als sie ausstoßen).
Hier erfahren Sie, wie diese Strahlung, die zu Stephens Ehren jetzt als Hawking-Strahlung bekannt ist, dem makellosen Bild der Schwarzen Löcher, das von der Allgemeinen Relativitätstheorie und dem No-Hair-Theorem gezeichnet wurde, einen Strich durch die Rechnung macht. Nehmen wir an, Sie bauen sich ein Schwarzes Loch und komprimieren dabei eine ausreichende Menge Materie in ein ausreichend kleines Volumen, sodass eines vor Ihnen erscheint. Der Bau dieses Schwarzen Lochs erforderte eine enorme Menge an Informationen über alle Teilchen, die einst die Freiheit genossen, und all diese Informationen sind jetzt sicher hinter dem Ereignishorizont versteckt.
Dann isoliert man ein Schwarzes Loch von jeglicher Wachstumsquelle: egal, keine Strahlung, keine Energie, an der es sich ernähren könnte. Das Schwarze Loch sendet ordnungsgemäß Hawking-Strahlung aus und spuckt jeweils ein Photon aus. Mit jeder Emission verliert das Schwarze Loch ein wenig an Masse (schließlich gibt es kein kostenloses Mittagessen und irgendjemand muss die Energierechnung für diese neu entdeckte Strahlung im Kosmos bezahlen). Wenn Sie lange genug warten, wird das Schwarze Loch schließlich vollständig verdampfen und in einem Hauch energiereicher Emission verschwinden.
Ein Problem. Diese Hawking-Strahlung ist … merkwürdig. Im Fachjargon der Physik sagen wir, dass die Emission thermisch ist, was eine andere Art ist zu sagen, dass sie keine eindeutigen Informationen enthält. Sie können vor Ihrem selbstgebauten Schwarzen Loch sitzen und die Energien und Impulse jedes einzelnen emittierten Teilchens der Hawking-Strahlung registrieren, bis es in 10.100 Jahren in sich selbst zusammenfällt, und Sie werden absolut nichts anderes erfahren als die dumme Tatsache, dass das Schwarze Loch … tatsächlich verdampft es bei einer bestimmten Temperatur.
Hier ist das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs, ein Paradoxon, das die theoretische Physik seit über einem halben Jahrhundert beschäftigt, ein Paradoxon, dessen Lösung in den unbekannten Ländern der Quantengravitation liegt, eine Lösung, die verspricht, zu einem neuen Verständnis der Physik zu führen: Information geht in ein schwarzes Loch. Es kommen keine Informationen heraus. Hawking-Strahlung lässt das Schwarze Loch verdampfen. Das Schwarze Loch verschwindet. Informationen können nicht zerstört werden. Wo sind also alle Informationen geblieben?
Es muss einen Fehler in Hawkings Argumentation geben, denn das Universum duldet keine Paradoxien. Politische Revolutionen entstehen, wenn zwei gegensätzliche Gruppen keinen Kompromiss finden können: ein Interessen- und Zielparadoxon. Wissenschaftliche Revolutionen entstehen, wenn zwei gegensätzliche Tatsachen keinen gemeinsamen Nenner finden: ein Paradoxon aus Argumentation und Schlussfolgerung.
Ich werde direkt zu dir sein. Zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels haben wir keine bestätigte, vereinbarte, getestete und zuverlässige Lösung für das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs. Aber wir haben eine Reihe faszinierender Hinweise, mathematische Brotkrümel, die uns irgendwohin zu führen scheinen, und den suggestiven Schimmer von etwas mehr direkt am Horizont.