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Astronaut im Weltraum

Tod im Schwarzen Loch

Der hypothetische Tod eines Astronauten in einem Schwarzen Loch bereitet Forschern Kopfzerbrechen. Eine neue Theorie sagt voraus, dass er in Sekundenbruchteilen verbrennen würde. Eine Prognose mit Folgewirkung: Die theoretische Physik laboriert seither an einer Grundlagenkrise.

Physik 19.04.2013

Im Frühjahr 2012 hatte Joseph Polchinski Selbstmordgedanken. Freilich nur in mathematischer Form: Der theoretische Physiker stellte sich eine Frage, die Forscher seit der Entdeckung der Schwarzen Löcher fasziniert. Was würde mit einem Astronauten passieren, der in ein Schwarzes Loch fällt?

Polchinskis Lösung widerspricht der bisher akzeptierten Antwort. Und stellt damit eine der prominentesten Theorien der Physik in Frage. Bisher bezogen sich Theoretiker bei entsprechenden Berechnungen auf Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie - und kamen zu dem Ergebnis: Die Schwerkraft würde dem Leben des Astronauten ein Ende bereiten.

Todesursache: Reißen oder Rösten?

"Man nennt das den Spaghetti-Effekt", sagt Herbert Balasin von der TU Wien im Gespräch mit science.ORF.at. "Früher oder später ist der Gravitationsunterschied zwischen Kopf und Füßen so groß, dass der Astronaut zerrissen wird."

Künstlerische Darstellung eines Schwarzen Loches

NASA/JPL-Caltech

Jenseits des Ereignishorizonts gibt es kein Entrinnen

Die Studie

"Black Holes: Complementarity or Firewalls?", arXiv Preprint (1207.3123).

Polchinski präsentierte in einer viel diskutierten Arbeit eine andere Lösung. Ihr zufolge würde der Astronaut nicht zerrissen, sondern gegrillt. Tot wäre der Reisende im Kosmos auch in diesem Fall. Nur die physikalische Todesursache wäre eine völlig andere.

Eine, die mit dem sogenannten Ereignishorizont des Schwarzen Loches zu tun hat. Der Ereignishorizont ist der "point of no return" - jene kritische Distanz, ab der jede Form von Materie unrettbar ins Schwarze Loch stürzen und dort für immer bleiben muss. Selbst Licht muss sich dem Imperativ des Ereignishorizonts beugen: Überschreitet es diese Grenze, bleibt es im Schlund des Schwarzen Loches gefangen.

Bisher galt der Ereignishorizont nur als konzeptuelle Grenze, als eine Folgerung von Einsteins Formeln, die sich aber sonst nicht von anderen Raumzeitbereichen unterscheidet.

Ultraheißer Partikelstrom

Laut Pocholski ist das nicht der Fall. Seine Berechnungen zeigen, dass der Ereignishorizont von einem heißen Partikelstrom umsäumt wäre. "Heiß" bedeutet in diesem Fall: So heiß, wie es nur irgendwie geht. Die Temperatur würde im Bereich der Planck-Temperatur liegen. In Zahlen ausgedrückt: Zehn hoch 32 Kelvin. Das ist zehn Billionen Billionen Mal mehr als die Kerntemperatur der Sonne.

"Firewall" nannte das Fachblatt "Nature" kürzlich den von Polchinski prognostizierten Partikelstrom rund um das Schwarze Loch. Die Existenz der Firewall rüttelt an den Grundfesten von Einsteins Theorie, genauer gesagt am sogenannten Äquivalenzprinzip. "Einsteins Äquivalenzprinzip besagt: Ob sich ein Körper im freien Fall im Gravitationsfeld befindet, oder ob gar keine Kräfte auf ihn wirken, ist in diesem kleinen Bereich einerlei. Beides ist dasselbe", erklärt Herbert Balasin.

Gedankenexperiment: Fallender Aufzug

Üblicherweise veranschaulichen Physiker diesen Satz mit folgendem Gedankenexperiment: Ein Mensch fährt mit dem Aufzug in das Dachgeschoß eines Wolkenkratzers. Plötzlich reißt das Seil, der Aufzug stürzt zu Boden. Weil die Kabine samt Inhalt im Schwerfeld beschleunigt - und zwar unabhängig von ihrer Masse, beginnt der Fahrgast zu schweben.

"Der Fahrgast hätte keine Möglichkeit zu erkennen, warum er schwebt", sagt Balasin: "Liegt es an der Abwesenheit von Kräften? Oder liegt es am Fall seiner Fahrstuhlkabine? Beide Fälle sind prinzipiell ununterscheidbar." Wobei man der Vollständigkeit halber hinzufügen muss: Das Argument gilt nur bis zum Aufprall.

Astronaut im Weltraum

NASA

Was erlebt ein Astronaut beim Eintritt ins Schwarze Loch?

Würde sich nun ein Astronaut in freiem Fall auf ein Schwarzes Loch zubewegen, befände er sich in der gleichen Situation. Es sei denn, die Firewall existierte. Dann nämlich würde der Astronaut spätestens bei Erreichen der Grilltemperatur zwischen beiden Fällen sehr wohl unterscheiden können.

Kann Information vernichtet werden?

Zugegeben, ein reichlich hypothetisches Szenario, das die Physikerzunft hier beschäftigt. Gleichwohl eines, das eine bereits abgeschlossen geglaubte Debatte wiederbelebt, in der Stephen Hawking eine empfindliche Niederlage einstecken musste.

In den 1970er formulierte Hawking einige jener Arbeiten, denen er heute seinen Status als Wissenschaftspopstar verdankt. Der britische Theoretiker fand heraus, dass Schwarze Löcher trotz ihrer fundamentalen Gefräßigkeit Strahlung abgeben müssen. Man könnte auch sagen: Schwarze Löcher sind nicht so dicht, wie zuvor vermutet. Quanteneffekte sind für das Leck verantwortlich, durch das die - heute so bezeichnete - Hawking-Strahlung entweicht.

"Laut Hawkings Berechnungen befindet sich die Strahlung im thermischen Gleichgewicht. Was bedeutet, dass sie keine Information über den inneren Zustand des Schwarzen Loches in sich trägt", sagt Herbert Balasin. "Angenommen, ein Schwarzes Loch würde so lange Strahlung abgeben, bis es von der Bildfläche verschwände. Wo bliebe die darin befindliche Information? Sie wäre verloren. Doch genau das ist laut Quantenmechanik unmöglich. Information kann nicht völlig vernichtet werden."

Stephen Hawking verliert eine Wette

Diese Erkenntnis spaltete die theoretische Physik in zwei Lager. Hawking und seine Anhänger gingen davon aus, dass diese spezielle Vorhersage der Quantentheorie nicht stimmt. Der US-Physiker John Preskill indes blieb dabei. Information, argumentierte Preskill, könne nicht zerstört werden.

Stephen Hawking im Rollstuhl vor einer Videowand

EPA

Popstar der Physik: Stephen Hawking

So schlossen die beiden im Jahr 1997 eine Wette ab, die kurz darauf durch eine Arbeit des Argentiniers Juan Maldacena entschieden wurde. Maldacena wies im Rahmen der sogenannten Stringtheorie nach, dass auch die Hawking-Strahlung Information nicht vernichten kann.

Einige Jahre später gestand Hawking seine Niederlage öffentlich ein. Er überreichte 2004 Preskill den Wetteinsatz: ein Baseball-Lexikon, das wohl als Symbol der Informationserhaltung gedacht war.

"Allerdings mit einer Nebenbemerkung", erinnert sich Herbert Balasin. "Er sagte: 'Die Information des Schwarzen Loches bleibt auf so verstümmelte Weise erhalten, das ich das Lexikon vorher besser in einen Shredder gesteckt hätte.'"

"Eine Grundlagenkrise der Physik"

Polchinskis Arbeitfügt dem Schlusskapitel der Hawking-Preskill'schen Wette nun ein bedeutendes Postskriptum hinzu. Wenn nämlich Hawking seine Wette tatsächlich verloren hat (also Information vom Schwarzen Loch nicht vernichtet wird), dann muss die Firewall real sein. Und wenn diese real ist, dann stimmt die Allgemeine Relativitätstheorie nicht.

Die Alternative wäre genauso schlimm: Behielte Hawking doch recht, wäre an der Quantentheorie etwas faul. So können sich die Physiker nun gewissermaßen zischen Skylla und Charybdis entscheiden. Entweder stimmt die bestens bestätigte Theorie der Gravitation nicht - oder die ebenso erfolgreiche Theorie der subatomaren Teilchen.

"Das ist eine Grundlagenkrise der Physik, die nach einer Lösung ruft", diagnostizierte kürzlich Steve Giddings von der University of California of Santa Barbara. Und sein Kollege Raphael Bousso fügte hinzu: Die Arbeiten von Polchinski "erschüttern die Physik Schwarzer Löcher. Sie stellen die Relativitätsheorie gegen die Quantentheorie. Und wir wissen nicht, wie wir da wieder rauskommen."

Fakt ist: Polchinskis Beitrag ist ernst zu nehmen. Der US-Amerikaner hat sich als Stringtheoretiker einen Namen gemacht und gehört als Träger der Dirac-Medaille gewissermaßen dem Adelsstand seiner Zunft an. Wenn es eine Lösung für das Problem gibt, dann wird sie nicht einfach sein. Bisherige Versuche, die Firewall durch neue Berechnungen wieder zu entfernen, waren nicht von Erfolg gekrönt.

"Ich bitte euch: Versucht es weiter!"

Ironischerweise wäre auch Polchinski nicht unerfreut, wenn jemand seine Entdeckung als physikalische Chimäre entlarven würde. Er sagte kürzlich gegenüber dem Fachblatt "Nature": "Es tut mir leid, dass bisher niemand die Firewall losgeworden ist. Aber ich bitte euch: Versucht es weiter!"

Wie Herbert Balasin betont, ist die von Polchinski heraufbeschworene Grundlagenkrise nur eine neue - und dringlichere - Formulierung für ein wohlbekanntes Problem. Die Schwerkraft hat sich nämlich bislang nicht mit der Quantentheorie vereinigen lassen. Im Gegensatz zu den anderen drei physikalischen Grundkräften (Elektromagnetismus, starke und schwache Kernkraft) erweist sich die Gravitation als notorische Einzelgängerin, die an den Rest der Physik nicht andocken möchte.

Gleichwohl glaubt Balsin, dass es langfristig gelingen wird. Falls ja, werde damit auch das Problem der Firewall verschwinden. "Wir stehen nun vor einem interessanten Paradoxon", sagt Balasin. "Aber es ist aus meiner Sicht nur ein scheinbarer Konflikt. Wir werden Relativitäts- und Quantentheorie in Einklang bringen. Ich glaube, es geht. "

Robert Czepel, science.ORF.at

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