Schwarze Löcher gehören zu den mysteriösesten Orten im Universum. Orte, an denen das Gewebe von Raum und Zeit so stark verzogen ist, dass nicht einmal Licht aus ihnen entweichen kann. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie liegt in ihrem Zentrum eine Singularität, ein Ort, an dem die Masse vieler Sterne zu einem Volumen mit genau null Größe zerkleinert wird. Zwei kürzlich erschienene Physikartikel, die am 10. Dezember in den Fachzeitschriften Physical Review Letters und Physical Review D veröffentlicht wurden, könnten Wissenschaftler dazu bringen, zu überdenken, was wir über Schwarze Löcher zu wissen glauben. Schwarze Löcher halten möglicherweise nicht ewig an, und es ist möglich, dass wir ihre Natur und ihr Aussehen in der Mitte völlig falsch verstanden haben.
Der Rand von Einsteins Physik
Astronomen und Physiker sind seit langem der Ansicht, dass die Idee einer Singularität einfach falsch sein muss. Wenn ein Objekt mit Masse keine Größe hat, hat es eine unendliche Dichte. Und so sehr Forscher das Wort "Unendlichkeit" herumwerfen, existieren solche Unendlichkeiten in der Natur nicht. Wenn Sie stattdessen in einer realen, physischen, wissenschaftlichen Situation auf eine Unendlichkeit stoßen, bedeutet dies, dass Sie Ihre Mathematik über den Bereich hinaus verschoben haben, in dem sie angewendet wird. Du brauchst neue Mathematik.
Es ist einfach, ein bekanntes Beispiel dafür zu geben. Das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass sich die Stärke der Gravitationsanziehung über den Abstand zwischen zwei Objekten um eins ändert. Wenn Sie also einen Ball nehmen würden, der sich weit von der Erde entfernt befindet, würde er ein bestimmtes Gewicht erfahren. Dann, wenn Sie es näher an die Erde bringen, würde das Gewicht zunehmen. Wenn Sie diese Gleichung auf das Äußerste bringen und das Objekt in die Nähe des Erdmittelpunkts bringen, erfährt es eine unendliche Kraft. Aber das tut es nicht.
Stattdessen gilt Newtons einfaches Gravitationsgesetz nicht mehr, wenn Sie das Objekt nahe an die Erdoberfläche bringen. Sie müssen die tatsächliche Verteilung der Erdmasse berücksichtigen, und dies bedeutet, dass Sie unterschiedliche und komplexere Gleichungen verwenden müssen, die ein unterschiedliches Verhalten vorhersagen. Auch wenn Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, dass im Zentrum der Schwarzen Löcher eine Singularität unendlicher Dichte existiert, kann dies nicht wahr sein. Bei sehr kleinen Größen muss eine neue Gravitationstheorie ins Spiel kommen. Wir haben einen generischen Namen für diese neue Theorie: Sie heißt Quantengravitation.
Der Name Quantengravitation bedeutet einfach "Gravitation auf den kleinsten Skalen", aber der Ausdruck impliziert keine spezifische Theorie. Es wurden jedoch spezifische theoretische Vorschläge gemacht, die die Schwerkraft wie im Mikrokosmos beschreiben würden. Ein Vorschlag heißt Schleifenquantengravitation.
Die Schleifenquantengravitation ist mathematisch gut definiert und drückt das Gefüge der Raumzeit als Gitter von Spin-Netzwerken aus, die sich im Laufe der Zeit entwickeln. Spin-Netzwerke sind nur eine mathematische Formulierung, die beschreibt, wie Partikel und Felder interagieren. Aus praktischerer Sicht sagt die Schleifenquantengravitation voraus, dass die Raumzeit mit einer kleinstmöglichen Einheit oder einem kleinstmöglichen Stück Raum und Zeit quantisiert wird, über die die Raumzeit nicht weiter unterteilt werden kann.
Die Schleifenquantengravitation ist eine schwierige mathematische Theorie, die sich der Erstellung überprüfbarer Vorhersagen in Schwarzen Löchern widersetzt hat. Abhay Ashtekar und Javier Olmedo von der Pennsylvania State University und Parampreet Singh von der Louisiana State University haben jedoch die Schleifenquantengravitation auf das Zentrum der Schwarzen Löcher angewendet. Sie behaupten, dass das Ergebnis keine Singularität ist.
Ihre Berechnung sagt voraus, dass die Raumzeit nahe der Mitte des Schwarzen Lochs sehr stark gekrümmt ist. Das Ergebnis ist, dass sich die Raumzeit in Zukunft in einer Region fortsetzt, die die Struktur eines weißen Lochs hat. Ein weißes Loch ist umgekehrt wie ein schwarzes Loch, was bedeutet, dass im Gegensatz zu einem schwarzen Loch, das Materie hineinzieht, ein weißes Loch Materie herausschießt.
Es gibt vielleicht eine andere Möglichkeit, sich vorzustellen, was sie vorhersagen. Es ist bekannt, dass sich die Zeit in starken Gravitationsfeldern verlangsamt. Und Schwarze Löcher enthalten die stärksten Gravitationsfelder im Universum. Aus diesem Grund ist eine mögliche Interpretation dieser neuen Arbeit, dass Materie in ein Schwarzes Loch fällt und dann "abprallt" und die Masse über den Kosmos zurückschießt. Weil die Zeit nahe der Mitte eines Schwarzen Lochs so langsam ist, nimmt dieser Prozess einfach enorm viel Zeit in Anspruch. Wenn die Forscher Recht haben, wird in sehr ferner Zukunft, wo es jetzt schwarze Löcher gibt, Materie ausbrechen und Materie im ganzen Kosmos verbreiten.
Wie immer in der theoretischen Wissenschaft gibt es viele interessante und provokative Ideen, die einfach nicht wahr sind, und dies kann eine davon sein. Es ist also wichtig zu sehen, ob es experimentelle Unterstützung für solche theoretischen Ideen gibt.
Es gibt einige Möglichkeiten. Wissenschaftler haben sehr energiereiche Phänomene im Weltraum beobachtet, die nicht vollständig erklärt wurden. Eine davon ist die Existenz von kosmischen Strahlen mit sehr hoher Energie, die auf die Erdatmosphäre treffen. Ein anderes ist das, was als "schnelle Funkstöße" bezeichnet wird, wenn eine große Menge an Funkenergie in sehr kurzer Zeit beobachtet wird. Beide Phänomene könnten zumindest im Prinzip die Signatur eines Schwarzen Lochs sein, das in ein Weißes Loch übergeht.
Es ist sicherlich verfrüht, diese interessante neue Idee anzunehmen. Stattdessen wäre es ratsam zu sehen, wie sich laufende Berechnungen unter Verwendung der Schleifenquantengravitation entfalten. Wenn sich die Vorhersagen verbessern und mehr wie einige der ungeklärten beobachteten astronomischen Phänomene aussehen, könnte dieses neue Ergebnis sowohl die Funktionsweise der Quantengravitation erklären als auch unser Verständnis der Vergangenheit und der Zukunft unseres Universums verändern.
Don Lincoln ist Physikforscher bei Fermilab. Er ist der Autor von "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die Sie umhauen werden"(Johns Hopkins University Press, 2014), und er produziert eine Reihe von naturwissenschaftlichen Bildung Videos. Folge ihm auf Facebook. Die in diesem Kommentar geäußerten Meinungen sind seine.
Don Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science beigetragen Expertenstimmen: Op-Ed & Insights.
