Wurmlöcher helfen, das Informationsparadoxon von Schwarzen Löchern zu lösen

Ein RIKEN-Physiker und zwei Kollegen haben herausgefunden, dass ein Wurmloch – eine Brücke, die entfernte Regionen des Universums verbindet – dabei hilft, Licht in das Geheimnis zu bringen, was mit Informationen über Materie passiert, die von Schwarzen Löchern verbraucht wird.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass nichts, was in ein Schwarzes Loch fällt, seinen Fängen entkommen kann. Aber in den 1970er Jahren berechnete Stephen Hawking, dass Schwarze Löcher Strahlung aussenden sollten, wenn die Quantenmechanik, die Theorie, die den mikroskopischen Bereich beherrscht, berücksichtigt wird. „Dies wird Verdunstung von Schwarzen Löchern genannt, weil das Schwarze Loch schrumpft, genau wie ein verdunstender Wassertropfen“, erklärt Kanato Goto vom RIKEN Interdisziplinäre Theoretische und Mathematische Wissenschaften.

Dies führte jedoch zu einem Paradoxon. Schließlich wird das Schwarze Loch vollständig verdampfen – und damit auch alle Informationen über seinen verschluckten Inhalt. Aber das widerspricht einem grundlegenden Diktum der Quantenphysik: dass Informationen nicht aus dem Universum verschwinden können. „Dies deutet darauf hin, dass die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik in ihrer derzeitigen Form nicht miteinander vereinbar sind“, sagt Goto. „Wir müssen einen einheitlichen Rahmen für die Quantengravitation finden.“

Viele Physiker vermuten, dass die Information entweicht, irgendwie verschlüsselt in der Strahlung. Um dies zu untersuchen, berechnen sie die Entropie der Strahlung, die misst, wie viel Information aus der Perspektive von jemandem außerhalb des Schwarzen Lochs verloren geht. 1993 berechnete der Physiker Don Page, dass die Entropie zunächst anwächst, wenn keine Informationen verloren gehen, aber auf Null abfällt, wenn das Schwarze Loch verschwindet.

Wenn Physiker einfach die Quantenmechanik mit der Standardbeschreibung eines Schwarzen Lochs in der Allgemeinen Relativitätstheorie kombinieren, scheint Page falsch zu liegen – die Entropie wächst kontinuierlich, wenn das Schwarze Loch schrumpft, was darauf hindeutet, dass Informationen verloren gehen.

Aber vor kurzem haben Physiker untersucht, wie Schwarze Löcher Wurmlöcher nachahmen und so einen Fluchtweg für Informationen bieten. Dies ist kein Wurmloch in der realen Welt, sondern eine Möglichkeit, die Entropie der Strahlung mathematisch zu berechnen, bemerkt Goto. „Ein Wurmloch verbindet das Innere des Schwarzen Lochs und die Strahlung außerhalb wie eine Brücke.“

Als Goto und seine beiden Kollegen eine detaillierte Analyse durchführten, bei der sowohl die Standardbeschreibung als auch ein Wurmlochbild kombiniert wurden, stimmte ihr Ergebnis mit der Vorhersage von Page überein, was darauf hindeutet, dass die Physiker zu Recht vermuten, dass Informationen auch nach dem Untergang des Schwarzen Lochs erhalten bleiben.

„Wir haben eine neue Raumzeit-Geometrie mit einer wurmlochartigen Struktur entdeckt, die in herkömmlichen Berechnungen übersehen worden war“, sagt Goto. „Die mit dieser neuen Geometrie berechnete Entropie ergibt ein völlig anderes Ergebnis.“

Aber das wirft neue Fragen auf. „Wir kennen noch immer nicht den grundlegenden Mechanismus, wie Informationen von der Strahlung weggetragen werden“, sagt Goto. „Wir brauchen eine Theorie der Quantengravitation.“