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Das berühmte Schwarze-Loch-Paradoxon scheint gelöst zu sein. Aber alles ist sehr kompliziert
Das berühmte Schwarze-Loch-Paradoxon scheint gelöst zu sein. Aber alles ist sehr kompliziert
Anonim

Seit 50 Jahren versuchen theoretische Physiker, das berühmte Schwarze-Loch-Paradoxon zu lösen, das voraussagt, dass diese kosmischen Monster viel komplexer sind, als die allgemeine Relativitätstheorie vermuten lässt. Tatsache ist, dass Schwarze Löcher nach Einsteins Theorie überraschend einfach sind. Wenn Sie die Masse, Ladung und Rotation eines Schwarzen Lochs kennen, wissen Sie alles, was Sie darüber wissen müssen. Es stellt sich heraus, dass Schwarze Löcher einer der einfachsten und verständlichsten Charaktere im gesamten Universum sind. Aber diese scheinbare Einfachheit schafft ein beunruhigendes Paradox. In den 1970er Jahren erkannte der berühmte Astrophysiker Stephen Hawking, dass Schwarze Löcher nicht vollständig schwarz sind. Stattdessen emittieren sie Licht durch einen subtilen quantenmechanischen Prozess an ihren Ereignishorizonten oder den Rändern von Schwarzen Löchern, aus denen nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann. Weil Schwarze Löcher so einfach sind und nur mit drei Zahlen beschrieben werden können, sind alle Informationen über das Material, das in Schwarze Löcher gelangt, offenbar für immer weggesperrt. Es spielt keine Rolle, ob Sie ein Schwarzes Loch aus toten Sternen und interstellarem Staub oder ein Schwarzes Loch aus Katzen erschaffen; Solange diese beiden Schwarzen Löcher den gleichen Spin, die gleiche Masse und die gleiche Ladung haben, sind sie identisch. Aber was passiert letztendlich mit Informationen?

Informationsparadoxon

Das Universum ist erstaunlich. Und schade, dass moderne Städte so stark durch Beleuchtung verschmutzt sind, denn die Sterne am Nachthimmel sind praktisch unsichtbar. Wenn wir in der Zwischenzeit jede Nacht die Milchstraße aus dem Fenster sehen und jeden August den Perseidenstrom bequem von zu Hause aus sehen würden, würden wir wahrscheinlich öfter an das Universum denken. Am Ende könnten sich die verrücktesten physikalischen Theorien, zum Beispiel über die Vielfalt der Welten oder dass man mit Hilfe von Schwarzen Löchern in genau dieses Multiversum reisen kann, als Realität herausstellen, wer weiß.

Inzwischen vermuten Andrei Linde und andere Wissenschaftler, dass unser Urknall nicht der einzige war, die Bemühungen anderer zielen darauf ab, Schwarze Löcher zu untersuchen, deren Existenz vor einigen Jahren bewiesen wurde.

Stephen Hawking, der diesen Weltraummonstern viel wissenschaftliche Arbeit gewidmet hat, glaubte, dass das Schwarze Loch, wenn es Strahlung aussendet, verdampft und schließlich vollständig verschwindet - daher das sogenannte Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs. Wenn ein Bündel von Informationen in ein Schwarzes Loch fällt und die Informationen nicht zerstört werden können, wann verschwindet dann das Schwarze Loch und wohin gehen all die Informationen?

Eine Momentaufnahme eines Schwarzen Lochs, aufgenommen mit einem Netzwerk von Teleskopen, die über acht Kontinente verteilt sind. Was wir auf dem Bild sehen, ist größer als unser gesamtes Sonnensystem. Die Masse dieses Schwarzen Lochs übersteigt die Sonnenmasse um das 6,5 Milliardenfache.

In einer Reihe bahnbrechender Arbeiten sind theoretische Physiker der Auflösung des Informationsparadoxons der Schwarzen Löcher, das sie seit fast 50 Jahren fasziniert und quält, schmerzlich nahe gekommen. Informationen, sagen sie jetzt selbstbewusst, schlüpfen tatsächlich aus dem Schwarzen Loch.

Wenn Sie in ein Schwarzes Loch springen, sind Sie nicht für immer verloren. Teilweise werden die Informationen, die du zur Reparatur deines Körpers benötigst, wieder angezeigt. Die meisten Physiker sind seit langem davon ausgegangen, dass dies der Fall sein würde; dies war das Ergebnis der Stringtheorie, dem führenden Kandidaten für eine einheitliche Theorie von allem. Aber die neuen Berechnungen, obwohl sie von der Stringtheorie inspiriert sind, implizieren nicht ihre Existenz.

Informationen kommen dank der Wirkung der Schwerkraft selbst heraus – ganz normale Schwerkraft mit einer Schicht von Quanteneffekten, sagen die Forscher. Dies ist eine Art Änderung in der Rolle der Schwerkraft.

Die Rolle der Schwerkraft ändern

Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die Gravitation eines Schwarzen Lochs so stark, dass ihm nichts entkommen kann. Das ausgefeiltere Verständnis von Schwarzen Löchern, das Stephen Hawking und seine Kollegen in den 1970er Jahren entwickelten, stellte dieses Prinzip nicht in Frage. Hawking und andere versuchten, Materie in und um Schwarze Löcher mit Hilfe der Quantentheorie zu beschreiben, aber sie fuhren fort, die Gravitation mit Einsteins klassischer Theorie zu beschreiben - ein hybrider Ansatz, den Physiker als "semiklassisch" bezeichnen.

Obwohl der Ansatz neue Effekte um den Umfang des Lochs vorhersagte, blieb das Innere streng isoliert. Die Physiker kamen zu dem Schluss, dass Hawking die richtige halbklassische Berechnung vorgenommen hatte – jeder weitere Fortschritt müsste auch die Gravitation als Quanten behandeln.

Ein solches Schwarzes Loch wurde von den Filmemachern von "Interstellar" gesehen

Doch genau das bestreiten die Autoren neuer Studien. Laut Wired entdeckten sie zusätzliche semiklassische Effekte – neue Gravitationskonfigurationen, die Einsteins Theorie zulässt, die Hawking jedoch nicht berücksichtigte.

Zunächst gedämpft beginnen diese Effekte zu dominieren, wenn das Schwarze Loch sehr alt wird. Das Loch verwandelt sich von einem Reich der Einsiedler in ein energisch offenes System. Nicht nur Informationen sickern durch, alles Neue, was in sie eindringt, bricht fast sofort aus. Die revidierte semiklassische Theorie muss noch genau erklären, wie Informationen herauskommen, aber in den letzten zwei Jahren war das Entdeckungstempo so hoch, dass Wissenschaftler Hinweise auf eine Lösung des Paradoxons haben.

Auf die eine oder andere Weise gibt es für Theoretiker noch viel Arbeit - die Raumzeit selbst scheint sich in ein Schwarzes Loch aufzulösen, was impliziert, dass die Raumzeit nicht die Wurzelebene der Realität ist, sondern eine entstehende Struktur aus etwas Tieferem. Und obwohl Einstein die Gravitation als Geometrie der Raumzeit verstand, beinhaltet seine Theorie auch den Zerfall der Raumzeit, und deshalb können Informationen letztendlich ihrem gravitativen Gefängnis entkommen.

Schwarze Löcher, Quantencomputer und Nichtlokalität

Bei zahlreichen Versuchen, das Informationsparadox von Schwarzen Löchern aufzulösen, haben die Forscher auf Computersimulationen zurückgegriffen, die an sich ein physikalisches System sind; Insbesondere die Quantenmodellierung unterscheidet sich nicht grundlegend von dem, was sie modelliert. Physiker stellten sich also vor, sie würden die gesamte Strahlung sammeln, sie in einen massiven Quantencomputer injizieren und eine vollständige Simulation eines Schwarzen Lochs durchführen.

Und das hat zu bemerkenswerten Ergebnissen geführt. Da die Strahlung mit dem Schwarzen Loch verbunden ist, aus dem sie stammt, ist auch der Quantencomputer stark mit dem Schwarzen Loch verbunden. Im Rahmen der Simulation wird die Quantenverschränkung in eine geometrische Beziehung zwischen dem simulierten Schwarzen Loch und dem Original transformiert. Einfach ausgedrückt, sind sie durch ein Wurmloch verbunden.

Es gibt ein physikalisches Schwarzes Loch und wird dann in einem Quantencomputer simuliert, und dazwischen könnte eine exakte Nachbildung eines Wurmlochs sein “, sagte Douglas Stanford, theoretischer Physiker an der Stanford University und Co-Autor der neuen Studie. Diese Idee ist ein Beispiel für den Vorschlag von 2013, dass die Quantenverschränkung als Wurmloch angesehen werden kann. Das Wurmloch wiederum bietet einen geheimen Tunnel, durch den Informationen eindringen können.

Quantencomputer zur Simulation von Schwarzen Löchern sind näher als sie scheinen.

Weitere Diskussionen betrafen unweigerlich, wie man all diese Wurmlöcher buchstäblich versteht. Wurmlöcher sind so tief in Gleichungen versunken, dass ihr Bezug zur Realität schwach erscheint, aber dennoch greifbare Konsequenzen haben.Durch die Verbindung zweier entfernter Orte ermöglichen Wurmlöcher, dass Ereignisse an einem Ort den entfernten Ort direkt beeinflussen, außer dass ein Teilchen, eine Kraft oder ein anderer Einfluss die Zwischenentfernung nicht überschreitet. Dieser physikalische Effekt wird als Nichtlokalität bezeichnet.

Wir haben immer gewusst, dass die Schwerkraft einige nicht-lokale Effekte haben muss, und dies ist einer davon, stellen die Forscher fest. Dinge, die Sie für unabhängig hielten, sind nicht wirklich unabhängig.

Auf den ersten Blick ist das erstaunlich. Einstein baute die Allgemeine Relativitätstheorie mit dem ausdrücklichen Ziel, die Nichtlokalität aus der Physik zu eliminieren. Die Schwerkraft bewegt sich nicht sofort durch den Raum. Es muss sich mit endlicher Geschwindigkeit von einem Ort zum anderen ausbreiten, wie jede andere Interaktion in der Natur.

In den letzten Jahrzehnten ist den Physikern jedoch klar geworden, dass die Symmetrien, auf denen die Relativität beruht, eine neue Generation nichtlokaler Effekte hervorbringen.

So entdeckte im Februar 2020 ein Team von Physikern, dass die Symmetrien der Relativitätstheorie noch weitreichendere Auswirkungen haben, als üblicherweise angenommen wird, was der Raumzeit die Qualität einer Spiegelhalle verleihen kann, die man bei der Analyse von Schwarzen Löchern sieht.

So verbiegt ein Schwarzes Loch die Raumzeit.

All dies bestärkt die Vermutung vieler Physiker, dass die Raumzeit keine Wurzelebene der Natur ist, sondern aus einem zugrunde liegenden Mechanismus hervorgeht, der weder räumlich noch zeitlich ist. Die neuen Berechnungen sagen ungefähr dasselbe, aber ohne Bezug auf Dualität oder Stringtheorie. Wurmlöcher entstehen, weil sie die einzige Sprache sind, die das Pfadintegral verwenden kann, um zu vermitteln, dass der Raum zusammenbricht. So sagt die Geometrie, dass das Universum letztendlich nicht geometrisch ist.

Und obwohl Physiker sich Zeit nehmen werden, die Ergebnisse der Studie zu bestätigen oder zu dementieren, hatten selbst die Autoren der Arbeit am Ende nicht damit gerechnet, das Informationsparadoxon Schwarzer Löcher auf diese Weise und ohne eine vollständige Quantentheorie der Gravitation aufzulösen. Aber wenn wir davon ausgehen, dass ihre Berechnungen richtig sind, dann enthält die Theorie der Schwarzen Löcher nicht mehr den logischen Widerspruch, der sie paradox macht. Mit einem Wort, Viva-Physik und der menschliche Geist.

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