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Ein Ritt ins Schwarze Loch

Ein Artikel von Andrea Naica-Loebell in der Telepolis Ein Ritt ins Schwarze Loch ist für mich Anlass, ein paar eigene Fragen zu formulieren. Andrea Naica-Loebell schreibt:

Es ist ein Gedankenexperiment wie die berühmte Schrödinger-Katze, die sich in der Quantenwelt tummelt. In der Realität ist es natürlich äußerst unwahrscheinlich, dass ein Elefant in ein Schwarzes Loch fällt, aber es ist theoretisch denkbar und dient deswegen den Physikern als Modell, um sich den möglichen Vorgängen rund um die mysteriösen Schwerkraftfallen zu nähern, die in der Mitte von Galaxien kauern und alles verschlingen, was ihnen zu nahe kommt.

Den Physiker Leonard Susskind von der Stanford University in Kalifornien beschäftigt die Frage nach dem Elefanten und seinem Sturz in ein Schwarzes Loch seit Jahren. Das Wissenschaftsmagazin „New Scientist” berichtet in seiner letzten Ausgabe über die Berechnungen des Forschers, die ergeben, dass der Elefant auf seinem Weg über den Ereignishorizont gleichzeitig an zwei Orten sein muss – sowohl tot als auch lebendig.


Natürlich ist der Elefant nur der visuelle Appetizer, den auch Naturwissenschaftler brauchen, denn in abstrakten Gleichungen denkt vermutlich niemand. Den Hintergrund der Überlegungen Susskinds bildet ein Streit um den Verbleib der Information, wenn Materie in ein Schwarzes Loch stürzt. Während seit der Formulierung der Relativitätstheorie durch Albert Einstein die Beziehung zwischen Materie und Energie geklärt ist, gilt das für das Wechselverhältnis von Information zu diesen beiden nicht. Nach dem aktuellen Stand der Erkenntnis kann man Information niemals von ihrem Träger trennen, es gibt keine abstrakte, trägerlose Information. Man kann deshalb sehr gut behaupten, Materie und Energie sind die Information und umgekehrt.

Die Information besteht darin, dass sie die Eigenschaften der Teilchen beschreibt, Masse (Energie), Ladung, Drehimpuls, sowie weitere quantenmechanische Größen. Wenn Teilchen miteinander wechselwirken, dann werden diese physikalischen Größen nicht vernichtet, sondern sie gehen als Erhaltungsgrößen in die Produkte ihrer Wechselwirkung über. Man kann Information nicht erschaffen und nicht vernichten.

Nach der klassischen Theorie hat ein Schwarzes Loch nur drei von außen messbare Eigenschaften: Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls. Die entsprechenden Eigenschaften eines Teilchens, das ins Schwarze Loch hinein fällt, werden denjenigen des Schwarzen Lochs additiv hinzugefügt. Der Physiker Stephen Hawking hat dieser klassischen Theorie noch das Konzept der heute nach ihm benannten Hawking-Strahlung hinzugefügt. Demnach ist ein Schwarzes Loch nicht vollkommen schwarz, sondern es „leuchtet” eben doch ein wenig, gibt Energie und damit Masse ab. Wird es nicht ständig durch neue Teilchen gefüttert, verdampft es irgendwann.

Beide Effekte, also sowohl das Einfangen von Teilchen, als auch das Erzeugen neuer Teilchen am Ereignishorizont, werfen aber bzgl. der damit verbundenen Informationsübertragung ein Problem auf: Die in Masse, Ladung und Drehimpuls enthaltene Information nimmt ein Teilchen mit, wenn es ins Loch stürzt. Genauso erhält es diese Eigenschaften aus dem Loch, wenn es am Ereignishorizont entsteht. Was aber ist mit seinen übrigen quantenmechanischen Eigenschaften, wohin verschwinden bzw. woher kommen sie?

Dieses Problem, das sogenannte „Informationsparadoxon”, ist die Grundlage einer Wette von Stephen Hawking „Schwarze Löcher sind keine Glatzköpfe“ mit Kip Thorne und John Preskill. Inzwischen hat Hawking den Verlust der Wette eingestanden und seine Wettschulden bezahlt.

Die mathematische Lösung, die die beiden letztgenannten Physiker gefunden haben, liegt in den Eigenschaften der Stringtheorie verborgen. Nach dieser kann man sich das Innere eines Schwarzen Lochs mit vibrierenden Strings ausgefüllt denken, die die Informationen der Teilchen speichern, die in das Loch gestürzt sind.

Diese Lösung wirft aber neue Fragen auf: In vielen Büchern über Kosmologie werden der Urknall und die Schwarzen Löcher als die beiden ultimativen Grenzen des Universums bezeichnet, Anfang und Ende, Alpha und Omega. Da die Quantentheorie keine bevorzugte Zeitrichtung kennt, wird in populärwissenschaftlichen Büchern häufig geschrieben, das Hineinstürzen in ein Schwarzes Loch wäre einem zeitumgekehrten Urknall äquivalent. Da die Quantentheorie keine bevorzugte Zeitrichtung kennt, erhofft man sich deshalb mit Hilfe der Stringtheorie auch das Geheimnis des Urknalls lüften zu können.

Zum Zeitpunkt des Urknalls begegnet man nun aber einem neuen Informationsparadoxon: Während man jetzt für die Schwarzen Löcher postuliert hat, dass die Information der Teilchen, die in das Loch hinein gestürzt sind, an die Teilchen übergeht, die das Schwarze Loch beim Verdampfen wieder freigibt, wie verhält es sich mit der Information, die zum Zeitpunkt des Urknalls unser Universum erschaffen hat? Wurde diese Information nicht auch einfach nur wieder freigesetzt? Und wenn ja, von wem eigentlich und zu welchem Zweck?

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