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Stephen Hawking und Kip Thorne schulden John Preskill möglicherweise eine Reihe von Enzyklopädien.
1997 machten die drei Kosmologen eine berühmte Wette darüber, ob Informationen, die in ein Schwarzes Loch gelangen, nicht mehr existieren - das heißt, ob das Innere eines Schwarzen Lochs durch die Eigenschaften der Partikel, die in das Schwarze Loch eintreten, überhaupt verändert wird.
Hawkings Forschungen deuteten darauf hin, dass die Partikel keinerlei Wirkung haben. Aber seine Theorie verstieß gegen die Gesetze der Quantenmechanik und schuf einen Widerspruch, der als "Informationsparadoxon" bekannt ist.
Jetzt haben Physiker an der Ohio State University eine Lösung unter Verwendung der Stringtheorie vorgeschlagen, die besagt, dass alle Teilchen im Universum aus winzigen vibrierenden Strings bestehen.
Samir Mathur und seine Kollegen haben einen umfangreichen Satz von Gleichungen abgeleitet, die stark darauf hindeuten, dass die Informationen weiterhin existieren - verbunden in einem riesigen Gewirr von Strings, das ein Schwarzes Loch von seinem Kern bis zu seiner Oberfläche füllt.
Die Ergebnisse legen nahe, dass Schwarze Löcher keine glatten, merkwürdigen Einheiten sind, wie Wissenschaftler lange gedacht haben.
Stattdessen sind sie fadenförmige "Fuzzballs".
Mathur, Professor für Physik am Ohio State, vermutet, dass Hawking und Thorne vom Ergebnis der Studie, die in der Ausgabe der Zeitschrift Nuclear Physics B vom 1. März erscheint, nicht besonders überrascht sein werden.
In ihrer Wette wetten Hawking, Professor für Mathematik an der Universität von Cambridge, und Thorne, Professor für theoretische Physik an der Caltech, dass Informationen, die in ein Schwarzes Loch gelangen, zerstört werden, während Preskill - ebenfalls Professor für theoretische Physik an der Caltech - die entgegengesetzte Ansicht. Die Einsätze waren eine Reihe von Enzyklopädien.
"Ich denke, dass die meisten Leute die Idee aufgegeben haben, dass Informationen zerstört wurden, als die Idee der Stringtheorie 1995 an Bedeutung gewann." Sagte Mathur. "Es ist nur so, dass bisher niemand nachweisen konnte, dass die Informationen erhalten sind."
In dem klassischen Modell, wie sich Schwarze Löcher bilden, kollabiert ein supermassives Objekt wie ein Riesenstern und bildet einen sehr kleinen Punkt unendlicher Schwerkraft, der als Singularität bezeichnet wird. Eine spezielle Region im Raum umgibt die Singularität, und jedes Objekt, das die Grenze der Region überschreitet und als Ereignishorizont bekannt ist, wird in das Schwarze Loch gezogen, um niemals zurückzukehren.
Theoretisch kann nicht einmal Licht aus einem Schwarzen Loch entweichen.
Der Durchmesser des Ereignishorizonts hängt von der Masse des Objekts ab, das ihn gebildet hat. Wenn beispielsweise die Sonne zu einer Singularität zusammenbricht, misst ihr Ereignishorizont einen Durchmesser von ungefähr 3 Kilometern. Wenn die Erde diesem Beispiel folgen würde, würde ihr Ereignishorizont nur 1 Zentimeter messen.
Was in der Region zwischen einer Singularität und ihrem Ereignishorizont liegt, haben die Physiker buchstäblich immer eine Lücke gezogen. Unabhängig davon, welche Art von Material die Singularität bildete, sollte der Bereich innerhalb des Ereignishorizonts keine Struktur oder messbaren Eigenschaften aufweisen.
Und darin liegt das Problem.
Das Problem mit der klassischen Theorie ist, dass Sie eine beliebige Kombination von Teilchen verwenden können, um das Schwarze Loch herzustellen - Protonen, Elektronen, Sterne, Planeten, was auch immer - und es würde keinen Unterschied machen. Es muss Milliarden von Möglichkeiten geben, ein Schwarzes Loch zu bauen, aber mit dem klassischen Modell ist der Endzustand des Systems immer der gleiche? Sagte Mathur.
Diese Art von Einheitlichkeit verstoße gegen das quantenmechanische Gesetz der Reversibilität, erklärte er. Physiker müssen in der Lage sein, das Endprodukt eines Prozesses, einschließlich des Prozesses, der ein Schwarzes Loch erzeugt, bis zu den Bedingungen zurückzuverfolgen, unter denen es entstanden ist.
Wenn alle Schwarzen Löcher gleich sind, kann kein Schwarzes Loch auf seinen einzigartigen Anfang zurückgeführt werden, und alle Informationen über die Partikel, die es erzeugt haben, gehen für immer verloren, sobald sich das Loch bildet.
"Niemand glaubt das jetzt wirklich, aber niemand konnte jemals etwas Falsches an dem klassischen Argument finden." Sagte Mathur. "Wir können jetzt vorschlagen, was schief gelaufen ist."
Im Jahr 2000 nannten Stringtheoretiker das Informationsparadoxon Nummer acht in ihrer Top-Ten-Liste der physikalischen Probleme, die im nächsten Jahrtausend gelöst werden sollen. Diese Liste enthielt Fragen wie "Was ist die Lebensdauer eines Protons?" und? Wie kann die Quantengravitation helfen, den Ursprung des Universums zu erklären?
Mathur begann als Assistenzprofessor am Massachusetts Institute of Technology mit der Arbeit am Informationsparadoxon und griff das Problem nach seinem Eintritt in die Ohio State Faculty im Jahr 2000 ganztägig an.
Mit dem Postdoktoranden Oleg Lunin berechnete Mathur die Struktur von Objekten, die zwischen einfachen String-Zuständen und großen klassischen Schwarzen Löchern liegen. Anstatt winzige Objekte zu sein, erwiesen sie sich als groß. Kürzlich stellten er und zwei Doktoranden - Ashish Saxena und Yogesh Srivastava - fest, dass das gleiche Bild von einem? Fuzzball? gilt weiterhin für Objekte, die eher einem klassischen Schwarzen Loch ähneln. Diese neuen Ergebnisse erscheinen in der Kernphysik B.
Nach der Stringtheorie bestehen alle fundamentalen Teilchen des Universums - Protonen, Neutronen und Elektronen - aus verschiedenen Kombinationen von Strings. Aber so winzig Saiten auch sind, Mathur glaubt, dass sie durch ein Phänomen, das als gebrochene Spannung bezeichnet wird, große schwarze Löcher bilden können.
Saiten sind dehnbar, sagte er, aber jede trägt eine gewisse Spannung, ebenso wie eine Gitarrensaite. Bei gebrochener Spannung nimmt die Spannung ab, wenn die Saite länger wird.
So wie eine lange Gitarrensaite leichter zu zupfen ist als eine kurze Gitarrensaite, ist ein langer Strang quantenmechanischer Saiten, die miteinander verbunden sind, leichter zu dehnen als eine einzelne Saite, sagte Mathur.
Wenn sich also sehr viele Saiten zusammenfügen, wie sie es tun würden, um die vielen Partikel zu bilden, die für ein sehr massives Objekt wie ein Schwarzes Loch erforderlich sind, ist die kombinierte Saitenkugel sehr dehnbar und dehnt sich zu einem breiten Durchmesser aus.
Als die Physiker des Staates Ohio ihre Formel für den Durchmesser eines verschwommenen Schwarzen Lochs aus Saiten ableiteten, stellten sie fest, dass sie dem Durchmesser des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs entsprach, der vom klassischen Modell vorgeschlagen wurde.
Da Mathurs Vermutung nahe legt, dass im Schwarzen Loch weiterhin Strings existieren und die Art der Strings von den Partikeln abhängt, aus denen das ursprüngliche Ausgangsmaterial besteht, ist jedes Schwarze Loch so einzigartig wie die Sterne, Planeten oder Galaxien das hat es geformt. Die Saiten aus jedem nachfolgenden Material, das in das Schwarze Loch gelangt, bleiben ebenfalls nachvollziehbar.
Das bedeutet, dass ein Schwarzes Loch auf seinen ursprünglichen Zustand zurückgeführt werden kann und Informationen erhalten bleiben.
Diese Forschung wurde teilweise vom US-Energieministerium unterstützt.
Originalquelle: Pressemitteilung der Ohio State University
