Physiker könnten neuen Weg zum Schwarzen-Loch-Paradoxon gefunden haben

Wenn das schwarze Loch verschwindet, was geschieht dann mit all der Information, die darin gefangen ist? Die Quantenphysik besagt, dass Information nicht zerstört werden kann, doch die Verdampfung schwarzer Löcher scheint das Gegenteil zu suggerieren.

Seit Jahrzehnten haben sich Wissenschaftler mit diesem Rätsel beschäftigt, weil die Hawking-Strahlung zu schwach ist, um sie direkt zu beobachten, und die Mathematik, die Gravitation mit der Quantenphysik verbindet, als notoriously schwierig gilt. Nun hat ein internationales Forscherteam einen unerwarteten neuen Weg gefunden, um das Problem zu untersuchen.

Anstatt Schwarze Löcher frontal zu bekämpfen, übersetzten sie die Hawking-Strahlung in die Sprache der Teilchenphysik mithilfe eines mathematischen Rahmens, der als „Double Copy" bezeichnet wird. „Damit können wir Dinge berechnen, die wir zuvor nie berechnen konnten, indem wir Ergebnisse auf clevere Weise wiederverwenden", sagte Chris White, einer der Forscher und Physiker an der Queen Mary University of London.

Eine verborgene Brücke zwischen Gravitation

Eine verborgene Brücke zwischen Gravitation und Teilchen Das Double Copy ist eine Idee, die Teile der theoretischen Physik in den letzten zehn Jahren grundlegend verändert hat. Im Kern besagt das Konzept, dass bestimmte Gleichungen, die die Gravitation beschreiben, mathematisch neu formuliert werden können, indem man Gleichungen aus der Teilchenphysik verwendet.

Dies ist ßer Bedeutung, da die moderne Physik in zwei getrennte Rahmenwerke unterteilt ist: Einsteins allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Gravitation, Schwarze Löcher und die Bewegung massereicher Objekte im Universum, während das Standardmodell die winzigen Teilchen und Kräfte beschreibt, die die Quantenwelt regieren.

Beide Theorien funktionieren einzeln hervorragend, lassen sich jedoch in extremen Umgebungen wie Schwarzen Löchern schwer miteinander in Einklang bringen. Das Double-Copy-Verfahren wirkt fast wie ein Übersetzungswerkzeug zwischen diesen beiden Welten. Vereinfacht ausgedrückt können Physiker manchmal eine komplexe Gravitationsberechnung in eine handhabbarere Teilchenphysik-Berechnung umwandeln.

Diese Technik wurde bereits genutzt, um

Diese Technik wurde bereits genutzt, um mehrere gravitative Phänomene besser zu verstehen; die Hawking-Strahlung blieb jedoch eines der fehlenden Puzzleteile. Wissenschaftler hatten zuvor noch nie einen passenden Standard-Modell-Vorgänger für die Hawking-Strahlung gefunden. Diese Lücke beschränkte den Nutzen des Double-Copy-Verfahrens für die Erforschung Schwarzer Löcher.

Umwandlung der Hawking-Strahlung in einen TeilchenkollisionsexperimentIn ihrer neuen Studie haben die Forscher schließlich einen mathematischen Analogon für die Hawking-Strahlung identifiziert.

Statt Teilchen zu beschreiben, die aus einem Schwarzen Loch entweichen, beschreibt die Übersetzung ein geladenes Teilchen, das mit einer kollabierenden sphärischen Hülle aus geladener Materie wechselwirkt. „Wir betrachten die Streuung eines masselosen skalaren Teilchens durch einen kollabierenden elektromagnetischen Hintergrund", schrieben die Forscher, als sie den Teilchenphysik-Experimentaufbau beschrieben, der zur mathematischen Nachbildung der Hawking-Strahlung dient.

Überraschenderweise stimmen die Gleichungen, die diesen

Überraschenderweise stimmen die Gleichungen, die diesen Streuprozess beschreiben, mit den Gleichungen überein, die die Hawking-Strahlung regeln. Zwei weitere Forschungsteams kamen in separaten Studien unabhängig voneinander zu eng verwandten Schlussfolgerungen, was das Vertrauen in die Authentizität der Verbindung – und nicht in einen Zufall – stärkt.

Gemeinsam deuten die Arbeiten darauf hin, dass wesentliche Merkmale der Schwarzen-Loch-Physik bereits in gewöhnlichen Gleichungen der Teilchenphysik kodiert sein könnten. Das Ergebnis ist besonders bedeutsam, weil die Hawking-Strahlung sich an der Schnittstelle zweier radikal unterschiedlicher Skalen befindet.

Schwarze Löcher gehören zur Sphäre gewaltiger kosmischer Objekte, die der Schwerkraft unterliegen, während die emittierten Teilchen der mikroskopischen Quantenwelt angehören. Die Tatsache, dass das Double-Copy-Verfahren beide Skalen verbinden kann, deutet darauf hin, dass die Beziehung zwischen Gravitation und Teilchenphysik tiefer reichen könnte, als Wissenschaftler bisher annahmen.

Das neue Rahmenwerk könnte Physikern zudem

Das neue Rahmenwerk könnte Physikern zudem einen Ausweg aus einem bedeutenden experimentellen Problem bieten. Da die Hawking-Strahlung realer schwarzer Löcher zu schwach ist, um sie direkt nachzuweisen, können Forscher stattdessen ihr Teilchenphysik-Analogon mathematisch untersuchen. Dies könnte es ihnen ermöglichen, Aspekte des Verhaltens schwarzer Löcher zu erforschen, die zuvor unzugänglich waren.

Das schwarze-Loch-Paradoxon könnte einen neuen Prüfstand erhalten. Die Arbeit löst zwar nicht das Informationsparadoxon schwarzer Löcher, bietet den Wissenschaftlern jedoch einen neuen Ansatz, um es zu bewältigen.

Die Forscher hoffen nun, das Rahmenwerk der doppelten Kopie noch weiter voranzutreiben, indem sie nach Teilchenphysik-quivalenten anderer Schwarzer-Loch-Eigenschaften suchen, einschlielich des Ereignishorizonts selbst  der Grenze, jenseits derer nichts entkommen kann.

Gelingen diese Verbindungen auch erfolgreich, knnten

Gelingen diese Verbindungen auch erfolgreich, knnten Physiker bestimmte Aspekte Schwarzer Lcher mit Methoden untersuchen, die ursprnglich fr Teilchenkollisionen entwickelt wurden. Dies wrde einen wesentlichen Wandel in der Herangehensweise der Forscher an der Quantengravitation bedeuten, eines der grten ungelsten Probleme der modernen Wissenschaft.

Derzeit bleibt die Forschung jedoch rein theoretisch, und die aktuellen mathematischen Abbildungen gelten nur fr sorgfltig kontrollierte Situationen und nicht fr realistische astrophysikalische Schwarze Lcher. Die Studie wurde auf arXiv verffentlicht.