Mai 27, 2022

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Wissenschaftler: „Quantum Hair“ könnte Hawkings Paradoxon des Schwarzen Lochs lösen

Das Informationsparadoxon von Stephen Hawking über Schwarze Löcher hat Wissenschaftler ein halbes Jahrhundert lang verblüfft und einige dazu veranlasst, die grundlegenden Gesetze der Physik in Frage zu stellen. Wissenschaftler sagen jetzt, dass sie das berüchtigte Problem möglicherweise gelöst haben, indem sie zeigten, dass Schwarze Löcher eine Eigenschaft haben, die als „Quantenhaar“ bekannt ist.

Wenn das stimmt, wäre dies ein großer Fortschritt in der theoretischen Physik.

Professor Xavier Calmette von der University of Sussex, der die Arbeit leitete, sagte, dass sein Team nach zehnjähriger Arbeit an der Mathematik hinter dem Problem im vergangenen Jahr schnelle Fortschritte gemacht habe, die ihnen die Zuversicht gegeben hätten, das Problem endlich gelöst zu haben .

„In der wissenschaftlichen Gemeinschaft wurde allgemein angenommen, dass die Auflösung dieses Paradoxons einen massiven Paradigmenwechsel in der Physik erfordern würde, der eine mögliche Neuformulierung entweder der Quantenmechanik oder der Allgemeinen Relativitätstheorie erzwingen würde“, sagte Calmette. „Was wir fanden – und ich finde besonders spannend – ist, dass dies nicht nötig ist.“

Das Hawking-Paradoxon lautet wie folgt: Die Regeln der Quantenphysik besagen, dass Informationen erhalten bleiben. Schwarze Löcher Es stellt dieses Gesetz in Frage, denn sobald ein Objekt in ein Schwarzes Loch eintritt, verschwindet es für immer – zusammen mit allen darin kodierten Informationen. Hawking hat dieses Paradoxon erkannt und die Gelehrten jahrzehntelang verwirrt.

Es gab eine Vielzahl von Lösungsvorschlägen, darunter die „Firewall-Theorie“, bei der Informationen verbrennen sollten, bevor sie in ein Schwarzes Loch eindringen, die „Fuzz-Ball-Theorie“, bei der angenommen wurde, dass schwarze Löcher verschwommene Grenzen haben, und verschiedene Zweige von Strings Theorie. Aber die meisten dieser Vorschläge erforderten eine Neufassung der Gesetze der Quantenmechanik oder Einsteins Gravitationstheorie, den beiden Säulen der modernen Physik.

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Stefan Hawking
Stephen Hawkings Paradoxon hat Wissenschaftler jahrzehntelang verwirrt. Fotografie: Triton / Kobal / Shutterstock / Sky Documentary

Im Gegensatz dazu behauptet die Theorie der Quantenpoesie, das Paradoxon aufzulösen, indem sie die Lücke zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik mithilfe einer neuen mathematischen Formel überbrückt.

Der Name ist eine Anspielung auf die auf der klassischen Physik basierende Meinung, dass Schwarze Löcher als überraschend einfache Objekte betrachtet werden können, die nur durch ihre Masse und Rotationsgeschwindigkeit definiert werden. Die Vorhersage gesichtsloser kahler Schwarzer Löcher wird seit den 1970er Jahren als „haarlose Theorie“ bezeichnet.

Calmette und seine Mitarbeiter glauben, dass ein Schwarzes Loch komplexer – oder haariger – ist. Sie schlagen vor, dass Materie, wenn sie in ein Schwarzes Loch kollabiert, einen schwachen Abdruck in seinem Gravitationsfeld hinterlässt. Dieser Fingerabdruck wird als „Quantenhaar“ bezeichnet, und die Autoren sagen, dass er den Mechanismus liefern wird, durch den Informationen während eines Zusammenbruchs eines Schwarzen Lochs erhalten bleiben. Nach dieser Theorie hätten zwei Schwarze Löcher mit identischen Massen und Radien, aber mit unterschiedlicher innerer Konfiguration, sehr subtile Unterschiede in ihren Gravitationsfeldern.

„Unsere Lösung erfordert keine spekulative Idee; stattdessen zeigt unsere Forschung, dass die beiden Theorien verwendet werden können, um konsistente Berechnungen von Schwarzen Löchern durchzuführen und zu erklären, wie Informationen gespeichert werden können, ohne dass radikal neue Physik erforderlich ist.“

Es gibt keinen offensichtlichen Weg, die Theorie mit astronomischen Beobachtungen zu testen – Gravitationsschwankungen wären zu klein, um sie zu messen. Aber die Theorie wird wahrscheinlich von der theoretischen Gemeinschaft einer intensiven Prüfung unterzogen.

Professor Toby Wiseman, ein theoretischer Physiker am Imperial College London, bezeichnete das Papier als „gute Arbeit“, war jedoch nicht davon überzeugt, dass es das jahrzehntealte Paradoxon auflöste.

Entscheidend sei, sagte er, dass das Papier vorschlug, dass es möglich sein könnte, einige zusätzliche Informationen darüber zu sammeln, was sich im Inneren des Schwarzen Lochs befand – aber es zeigte nicht, dass dieses Phänomen all die scheinbar fehlenden Informationen erklären könnte. „Sie sind nicht aufgetaucht, und das ist der Kern des Widerspruchs“, sagte er.

„Mein Gefühl ist, dass man, um dieses Paradoxon wirklich zu lösen, vollständig verstehen muss, wie Quantenmechanik und Gravitation kombiniert werden“, sagte er. „Sie sehen sich kleine Korrekturen an, aber nicht die ganze Mischung aus beidem.“

Calmette sagte: „Wenn Sie einen großen Anspruch haben, müssen Sie ihn unterstützen. Es wird eine Weile dauern, bis die Leute das vollständig akzeptieren. Die Ironie gibt es schon lange und Sie haben berühmte Leute auf der ganzen Welt, die daran arbeiten jahrelang.“

Die Arbeit wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.