Das könnte (wahrscheinlich) auf der anderen Seite des Schwarzen Lochs existieren

Die vielleicht überraschendste wissenschaftliche Entdeckung des letzten Jahrzehnts ist, dass es im Universum von Schwarzen Löchern wimmelt.

Diese Löcher wurden in unterschiedlichen und überraschenden Größen beobachtet: Einige mit einer Masse, die etwas größer als die Masse der Sonne ist, und andere mit einer Masse, die milliardenfach größer ist. Sie wurden auch auf unterschiedliche Weise beobachtet: durch Radioemissionen des Materials, das auf das Loch zufällt; Und durch seinen Einfluss auf die Sterne, die ihn umkreisen; Durch die Gravitationswellen, die bei ihrer Verschmelzung ausgesandt werden; Und durch die äußerst seltsame Verzerrung des Lichts, die es verursacht (erinnern Sie sich an den Einstein-Ring, der auf Bildern von Sagittarius A* erschien, dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße, das vor nicht allzu langer Zeit die Titelseiten internationaler Zeitungen zierte).

Der Raum, in dem wir leben, ist nicht glatt, sondern voller Löcher im Himmel, wie ein Sieb. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hat die physikalischen Eigenschaften aller Schwarzen Löcher gut vorhergesagt und beschrieben.

Alles, was wir bisher über diese seltsamen Objekte wissen, stimmt vollständig mit Einsteins Theorie überein. Es gibt jedoch zwei Hauptfragen, die Einsteins Theorie nicht beantwortet.

Die erste Frage lautet: Wohin geht die Materie, wenn sie in ein Schwarzes Loch eintritt? Die zweite Frage lautet: Wie enden Schwarze Löcher? Überzeugende theoretische Argumente, die Stephen Hawking vor mehreren Jahrzehnten erstmals verstanden hat, deuten darauf hin, dass sich ein Schwarzes Loch in ferner Zukunft nach einem Leben, das von seiner Größe abhängt, zusammenziehen (oder, wie Physiker sagen, „verdampfen“), indem es heiße Strahlung aussendet heute als Strahlung bekannt.

Dadurch wird das Loch immer kleiner, bis es ganz klein wird. Aber was passiert danach? Der Grund dafür, dass diese beiden Fragen noch nicht beantwortet wurden und Einsteins Theorie keine Antwort liefert, liegt darin, dass sie beide Quantenaspekte der Raumzeit betreffen.

Das bedeutet, dass beide die Quantengravitation beinhalten, aber wir haben noch keine solide Theorie der Quantengravitation.

Versuchen Sie zu antworten

Aber es gibt Hoffnung, denn wir haben vorläufige Theorien. Diese Theorien sind noch nicht bewiesen, da sie noch nicht durch Experimente oder Beobachtungen gestützt wurden.

Aber sie sind weit genug fortgeschritten, um uns vorläufige Antworten auf diese beiden wichtigen Fragen zu liefern. Wir können diese Theorien daher nutzen, um eine fundierte Vermutung darüber anzustellen, was passiert.

Nicht definiert

Die vielleicht detaillierteste und fortschrittlichste Theorie der Quantenraumzeit ist die Schleifenquantengravitation oder LQG – eine experimentelle Quantengravitationstheorie, die sich seit den späten 1980er Jahren stetig weiterentwickelt.

Dank dieser Theorie ist eine interessante Antwort auf diese Fragen aufgetaucht. Diese Antwort wird im folgenden Szenario demonstriert. Das Innere des Schwarzen Lochs entwickelt sich weiter, bis es ein Stadium erreicht, in dem Quanteneffekte zu dominieren beginnen.

Dadurch entsteht eine starke Abstoßungskraft, die die Dynamik im Inneren des kollabierenden Schwarzen Lochs widerspiegelt und es zum „Abprallen“ bringt. Nach dieser Quantenphase, die durch die Theorie der Quantengravitation beschrieben wird, gehorcht die Raumzeit im Inneren des Lochs wieder Einsteins Theorie, nur dass sich das Schwarze Loch nun ausdehnt, anstatt sich zusammenzuziehen.

Die Möglichkeit der Expansion von Schwarzen Löchern wurde tatsächlich von Einsteins Theorie auf die gleiche Weise vorhergesagt, wie sie von Schwarzen Löchern vorhergesagt wurde. Dies ist eine Möglichkeit, die seit Jahrzehnten bekannt ist; Dieser entsprechende Bereich der Raumzeit hat sogar einen Namen: „Weißes Loch“.

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Gleiche Idee, aber umgekehrt

Der Name spiegelt die Idee wider, dass ein Weißes Loch gewissermaßen das Gegenteil eines Schwarzen Lochs ist. Wir können es uns auf die gleiche Weise vorstellen, dass ein Ball, der nach oben springt, einem Aufwärtspfad folgt, der das Gegenteil des Abwärtspfads ist, den er nahm, als der Ball fiel.

Ein Weißes Loch ist eine Raum-Zeit-Struktur, die einem Schwarzen Loch ähnelt, jedoch mit umgekehrter Zeit. In einem Schwarzen Loch fallen Dinge; Aber innerhalb des weißen Lochs bewegen sich die Dinge nach außen. Aus einem Schwarzen Loch kann nichts entkommen; Ebenso kann nichts in ein weißes Loch eindringen.

Von außen betrachtet passiert es, dass sich das Schwarze Loch, das jetzt klein ist, weil es den größten Teil seiner Masse verdampft hat, am Ende des Verdunstungsprozesses in ein kleines weißes Loch verwandelt. LQG weist darauf hin, dass solche Strukturen durch Quanteneffekte nahezu stabil werden und daher lange überleben können.

Weiße Löcher werden manchmal „Überreste“ genannt, weil sie das sind, was nach dem Verdampfen eines Schwarzen Lochs übrig bleibt. Der Übergang von einem Schwarzen Loch zu einem Weißen Loch kann als „Quantensprung“ betrachtet werden. Dies ähnelt dem Konzept der Quantensprünge des dänischen Physikers Niels Bohr, bei dem Elektronen von einem Atomorbital in ein anderes springen, wenn sie ihre Energie ändern.

Quantensprünge führen dazu, dass Atome Photonen aussenden, die wiederum das Licht aussenden, das es uns ermöglicht, Dinge zu sehen. Aber die Theorie der Quantengravitation sagt die Größe dieser winzigen Überreste voraus. Daher ein charakteristisches physikalisches Ergebnis: Geometriequantisierung. Insbesondere sagt die Theorie der Quantengravitation voraus, dass die Fläche jeder Oberfläche nur bestimmte diskrete Werte haben kann.

Die Fläche des Resthorizonts des Weißen Lochs muss durch den kleinsten nicht verschwindenden Wert bestimmt werden. Dies entspricht einem weißen Loch mit einer Masse von Bruchteilen eines Mikrogramms: etwa dem Gewicht eines menschlichen Haares.

Dieses Szenario beantwortet die beiden zuvor gestellten Fragen. Am Ende des Verdampfungsprozesses springt das Quantenschwarze Loch in ein kleines, langlebiges Weißes Loch. Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, kann später aus diesem Weißen Loch wieder heraustreten.

Der Großteil der Energie der Materie wird bereits durch Hawking-Strahlung freigesetzt worden – energiearme Strahlung, die das Schwarze Loch aufgrund von Quanteneffekten aussendet und die zur Verdampfung führt. Was aus dem Weißen Loch austritt, ist nicht die Energie der hineingefallenen Materie, sondern die verbleibende niederenergetische Strahlung, die dennoch alle restlichen Informationen über die hineingefallene Materie in sich trägt.

Eine faszinierende Möglichkeit, die dieses Szenario eröffnet, besteht darin, dass die mysteriöse dunkle Materie, deren Spuren Astronomen am Himmel sehen, tatsächlich ganz oder teilweise aus winzigen weißen Löchern entstanden sein könnte, die von alten, verdampfenden Schwarzen Löchern erzeugt wurden. Diese Löcher könnten in den frühen Stadien des Universums entstanden sein, vielleicht vor dem Urknall, den die Theorie der Quantengravitation ebenfalls vorherzusagen scheint.

Dies ist eine attraktive mögliche Lösung des Rätsels um die Natur der Dunklen Materie, da es ein Verständnis der Dunklen Materie ermöglicht, das ausschließlich auf der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik basiert, zwei wohlbekannten Aspekten der Natur. Es werden auch keine Zufallsfeldteilchen oder neue dynamische Gleichungen hinzugefügt, wie dies bei den meisten alternativen experimentellen Hypothesen über Dunkle Materie der Fall ist.

Nächste Schritte

Können wir also Weiße Löcher entdecken? Die direkte Beobachtung von Weißen Löchern wird schwierig sein, da diese kleinen Objekte fast ausschließlich durch die extrem schwache Schwerkraft mit dem Weltraum und der sie umgebenden Materie interagieren.

Es ist nicht einfach, ein Haar allein anhand seiner Schwerkraft zu erkennen. Aber vielleicht wird es mit fortschreitender Technologie nicht mehr unmöglich sein. Ideen, wie dies mithilfe von Detektoren auf Basis der Quantentechnologie geschehen könnte, wurden bereits vorgeschlagen.

Wenn dunkle Materie aus Überresten von Weißen Löchern besteht, zeigt eine einfache Schätzung, dass einige solcher Objekte jeden Tag durch ein Gebiet von der Größe eines großen Raums fliegen könnten. Zunächst müssen wir dieses Szenario untersuchen und untersuchen, wie es mit dem übereinstimmt, was wir über das Universum wissen, während wir auf die Technologie warten, die uns hilft, diese Objekte direkt zu entdecken.

Aber überraschenderweise wurde dieses Szenario bisher nicht berücksichtigt. Der Grund lässt sich auf eine Hypothese zurückführen, die von vielen Theoretikern mit Hintergrund in der Stringtheorie vertreten wird: eine starke Version der sogenannten „holographischen“ Hypothese.

Nach dieser Hypothese ist die Information im Inneren eines kleinen Schwarzen Lochs notwendigerweise klein, was der obigen Idee widerspricht. Die Hypothese basiert auf der Idee ewiger Schwarzer Löcher: technisch gesehen die Idee, dass der Horizont eines Schwarzen Lochs notwendigerweise ein „Ereignis“-Horizont ist (ein „Ereignis“-Horizont ist per Definition ein ewiger Horizont). Wenn der Horizont ewig ist, ist das, was im Inneren passiert, praktisch für immer verloren, und ein Schwarzes Loch unterscheidet sich eindeutig von dem, was von außen gesehen werden kann.

Aber Quantengravitationsphänomene stören den Horizont, wenn er klein wird, und verhindern so, dass er ewig ist. Daher kann der Horizont des Schwarzen Lochs kein „Ereignishorizont“ sein. Die darin enthaltenen Informationen können umfangreich sein, selbst wenn der Horizont klein ist, und sie können nach dem Stadium des Schwarzen Lochs, während des Stadiums des Weißen Lochs, wiederhergestellt werden.

Als Schwarze Löcher theoretisch untersucht und ihre Quanteneigenschaften ignoriert wurden, wurde seltsamerweise der ewige Horizont als ihre definierende Eigenschaft angesehen. Nachdem wir Schwarze Löcher nun als reale Objekte am Himmel verstehen und ihre Quanteneigenschaften erforschen, wird uns klar, dass die Idee, dass ihr Horizont ewig sein sollte, nur ein Ideal war.

Die Realität ist differenzierter. Vielleicht ist nichts ewig, nicht einmal der Horizont eines Schwarzen Lochs.

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