"Bitte bereit" ist ein lustiger Kommentar zu "Star Trek"

Physiker haben lange darauf bestanden, dass Schwarze Löcher undurchdringliche Chiffren sind. Was hineingeht, ist verloren, unmöglich zu studieren oder sinnvoll zu verstehen. Eine kleine Menge Materie und Energie könnte aus einem schwarzen Loch in Form von "Hawking-Strahlung" entweichen, aber alles, was sich immer noch im Schwarzen Loch befindet, ist funktionell aus dem physikalischen Universum verschwunden.

Die Idee ist eine Grundvoraussetzung der modernen Physik: Wenn etwas in ein Schwarzes Loch fällt, kann es nicht kontaktiert werden, seine Zukunft kann nicht vorhergesagt werden. Kein Beobachter könnte überleben, wenn er in den dunklen Raum reist, nicht einmal lange genug, um sich umzusehen und ein paar Dinge zu bemerken, bevor er vernichtet wird.

Nun versucht ein Team aus Mathematikern und Physikern, die in Portugal, Kanada, den Niederlanden und den Vereinigten Staaten verstreut sind, ein Loch in die Hypothese zu schlagen. Es ist nur ein Nadelstich, aber es hat bereits einen Ansturm von Interesse und Forschung von ihren Kollegen ausgelöst.

In einer am 17. Januar in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit zeigte das Forscherteam, dass in bestimmten Extremsituationen Schwarze Löcher existieren könnten, die es theoretischen Beobachtern erlauben würden, ihre äußeren Grenzen zu passieren, ohne sofort zerstört zu werden. Pflüge dein abgeschirmtes Raumschiff in den Ereignishorizont einer dieser Singularitäten (die unendlich kleinen Punkte, in denen alle schwarzen Löcher ihre gesamte Materie und Energie verschwinden lassen), und du lebst vielleicht gerade lange genug, um zu sehen, was im Inneren vor sich geht. Es ist ein Riss in der Black-Loch-Chiffre, wenn auch ein winziger. [Was würde passieren, wenn Sie in ein schwarzes Loch fallen würden?]

Um zu verstehen, warum dies für Physiker so eine große Sache ist, müssen Sie verstehen, wie sie über das Universum denken.

Die Vorstellung, dass Schwarze Löcher abgeschottet werden müssen, dass ihre Innenräume unmöglich zu beobachten sind, nennt man die kosmische Zensurhypothese. Es wurde 1969 vom Mathematiker Roger Penrose vorgeschlagen und später von Stephen Hawking und Kip Thorne debattiert. Es wurde über die Jahrzehnte modifiziert und wurde nie offiziell als Theorie bezeichnet. Aber für gewisse Forscher ist es so etwas wie ein Glaubensartikel, der dadurch untermauert wird, wie gut es gewisse lose Enden in modernen Modellen des Universums bindet.

Das neue Papier impliziert jedoch, dass in den Grenzregionen dieser speziellen Schwarzen Löcher die kosmische Zensur zusammenbricht. Ein Beobachter könnte über die Zone dessen, was die Physik vorhersagen kann, hinausgehen und beobachten, was dort passiert. Und wenn das stimmt, würde das bedeuten, dass die Welt der Physik, die Sinn macht, beginnt, in die Zone des Unbegreiflichen zu gelangen.

Das Universum ist eine Zukunftsfalle

Um zu verstehen, warum dies für Physiker so eine große Sache ist, müssen Sie verstehen, wie sie über das Universum denken.

Ein Physiker möchte, dass das Universum wie ein Uhrwerk funktioniert. Setze alle Anfangsbedingungen - setze diesen Stern hier, den Planeten dort und eine Welle von Energie in dieser Ecke - und die Gesetze des Universums diktieren genau, wie sich das ganze System über längere Zeit entwickeln wird. Die Physik geht davon aus, dass sich jeder Fleck Materie auf einer Art unsichtbarer Bahnlinie befindet, die von einem unausweichlichen Ziel zum nächsten reist. Auch wenn Menschen und ihre Supercomputer nicht immer die Zukunft vorhersagen können, gehen Physiker im Allgemeinen davon aus, dass die Zukunft bereits bestimmt ist.

Selbst die Quantenmechanik mit ihren seltsamen Ungewissheiten und ihrer tiefen Zufälligkeit verletzt diesen wesentlichen physikalischen Determinismus nicht wirklich.

"Mit der Quantenmechanik haben Sie natürlich keinen Determinismus im Sinne der Voraussage, sagen wir zum Beispiel, wann genau ein Atom zerfallen wird", studieren Co-Autor Peter Hintz, ein Mathematiker an der Universität von Kalifornien, Berkeley und a Research Fellow am Clay Mathematics Institute, sagte in einem Interview mit Live Science "Aber man kann die Wahrscheinlichkeitsverteilungen vorhersagen, wann dieses Atom am ehesten verfallen wird [und wann es nicht wahrscheinlich ist, dass es zerfällt]."

Die quantenmechanische Sicht auf ein Universum sich entwickelnder, sich überschneidender Wahrscheinlichkeitsverteilungen ist viel wilder und verwirrender als Newtons Welt oder sogar Einsteins. Aber es ist immer noch grundsätzlich deterministisch. Alles in der Schöpfung ist gefangen in seinem Geist, der sich durch die Äonen zieht.

Schwarze Löcher drohen, die Falle zu zerstören

Der einzige Ort, an dem der Determinismus wirklich zusammenbricht, ist innerhalb einer Singularität: Komprimiere genug Masse und Energie zusammen, dass sie zu einem einzigen Punkt zusammenfallen und Einsteins Gesetze zusammenbrechen. Plötzlich beginnen die Gesetze der Physik unmögliche Dinge zu tun und geben Antworten wie "Unendlichkeit" auf Fragen, die endliche Antworten haben müssen:

Was ist die Schwerkraft an diesem Punkt? Unendlichkeit. Wie gekrümmt ist die Raumzeit hier? Unendlich.

Das ist einfach keine Situation, mit der sich unsere Physik auseinandersetzen kann.

Was auch immer in einer Singularität vor sich geht, die moderne Physik ist nicht in der Lage, es herauszufinden. Und, zumindest nach dem Prinzip der kosmischen Zensur, wie es Penrose erklärte, Wissenschaftler, die in unserem Universum arbeiten kippen finde es heraus. Das Wissen ist durch die Struktur der Raumzeit verboten: Alle bekannten Singularitäten sind entweder jenseits von undurchdringlichen Ereignishorizonten schwarzer Löcher oder in der unverständlichen Geschichte des ersten Moments des Urknalls eingeschlossen.

Obliteration

Wenn das Papier vom 17. Januar nur ein Nadelstich ist, droht es sich zu erweitern, bis es eine große Wunde durch die ganze Idee der kosmischen Zensur reißt.

Hintz und seine Kollegen zeigten, dass die Mauer des Todes um schwarze Löcher unter Umständen zusammenbrechen könnte.

Wenn Wissenschaftler für die kosmische Zensur in den Grenzregionen der Schwarzen Löcher argumentieren, hat ein kritischer Punkt damit zu tun, wie sich Energie verhält, wenn sie sich einer Singularität nähert.

Die kanonische Geschichte geht so: In der Nähe eines Schwarzen Lochs, sagte Hintz zu Live Science, verlangsamt sich die Zeit. (Sie kennen vielleicht dieses Phänomen, wenn Sie den Film "Interstellar" gesehen haben.) [8 Wege, wie Sie Einsteins Relativitätstheorie im wirklichen Leben sehen können]

Wenn Sie ein weißes Licht auf einen Astronauten werfen, der auf den Ereignishorizont fällt, wird diese Zeitdilatation - aus der Sicht des Astronauten - dazu führen, dass sich das Licht zu verändern scheint. Wenn sich die Zeit für sie langsamer bewegt, aber mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der die Welle Welle um Welle von einem festen Ort aus pumpt, scheinen die Spitzen jeder Welle immer schneller zum Astronauten zu gelangen, während der Astronaut sich in immer langsamere Regionen bewegt der Zeit in der Nähe des Schwarzen Lochs.

Wenn die Wellenspitzen eines Strahls elektromagnetischer Strahlung (einschließlich sichtbarem Licht) immer schneller auftauchen, bedeutet dies, dass (aus der Sicht des taumelnden Astronauten) die Frequenz schneller wird. Der Astronaut sieht das Hellblau wechseln, wenn die Frequenz steigt und mehr Energie pro Sekunde transportiert.

Aus der Sicht des Astronauten würde diese milde Taschenlampe bald zu einem verbrühenden Gammastrahlungsstrahl werden, sagte Hintz. Dann, genau an der Grenze der Region, in der die Singularität den Raum bis zur Unkenntlichkeit verzieht, wo die Zeit ganz aufzuhören scheint, würde die Frequenz in die Unendlichkeit stürzen - eine Zone unendlicher Energie, die absolut nicht zu verarbeiten ist. [Interstellare Raumfahrt: 7 futuristische Raumfahrzeuge zur Erforschung des Kosmos]

Es ist die letzte Verteidigung der verständlichen Physik gegen die Leere, wie der dreiköpfige Hund, der die Tore der Hölle bewacht: Reise hierher, Beobachter, und du wirst ausgelöscht werden.

Geladenes schwarzes Loch

Oder vielleicht nicht. Hintz und seine Kollegen bauten ein Modell, in dem die Wand aus blauverschobener Energie verschwinden würde.

"Wir studieren dieses Universum, in dem es nur ein schwarzes Loch gibt, was eine sehr späte Phase der Evolution des Universums wäre, in der all die andere Materie, wie du und ich, in sehr entfernte Singularitäten zerfallen oder verschwunden ist", sagte er . "Es ist ein schwarzer, düsterer Ort."

Und dieses schwarze Loch, das sie beschrieben haben, ist ungewöhnlich. Es hat eine sehr starke elektromagnetische Ladung.

Unter normalen Umständen neigen stark geladene Teilchen dazu, einander anzuziehen, positiv und negativ, und heben sich gegenseitig auf. Unsere Welt hat Taschen von starker Ladung - Ihr Haar zum Beispiel, nachdem Sie einen Ballon für eine Weile darauf gerieben haben - aber jeder massive Körper tendiert dazu, sich auf eine Ladung von ungefähr Null zu reduzieren. Es ist wahrscheinlich, dass kein einziges schwarzes Loch, wie es Hintz und seine Kollegen studierten, im realen Universum existiert, sagte er.

Physiker studieren geladene schwarze Löcher, Hintz sagte, weil sie ziemlich gute Analogien für schnell drehende schwarze Löcher sind, die fast sicher existieren, aber mit Berechnungen viel schwieriger sind.

"Ladung ist ein Drehimpuls [Spin] eines armen Mannes", sagte Hintz. Sie sind nicht gleich, aber ihre Wirkungen sind ähnlich genug, dass Physiker manchmal beim Studium von Schwarzen Löchern eins für das andere ersetzen.

Und es stellt sich heraus, dass im Falle eines geladenen Schwarzen Lochs, das stark genug geladen ist, ein anderer Effekt die Blauverschiebung überwältigen und das Leben des Astronauten retten könnte: Energie fällt ab, wenn sie sich dem Schwarzen Loch nähert, und im Falle des Schwarzen Loch, das sie studiert haben, würde es tatsächlich schneller zerfallen als es blauverschoben. Anstatt in der Grenzregion dieses Schwarzen Lochs eine unendliche Energie zu erreichen, würde es an der Grenze harmlos austreten, sagten die Forscher.

"Wenn du nicht stirbst [werde nicht aus der physischen Existenz ausgelöscht, wie wir es kennen], wenn du den Horizont überschreitest, dann bricht der Determinismus zusammen, weil du nicht vorhersehen kannst, was danach passieren wird", sagte Hintz.

Boom

Die Idee ist ein so überwältigender Verweis auf die Art und Weise, wie Physiker die Welt sehen, dass sie eine fast sofortige Nachfolge provoziert hat.

In einem auf der Preprint-Website arXiv am 29. Januar veröffentlichten Dokument, das von einem Peer-Review und einer Veröffentlichung begleitet wurde, ging ein anderes Team von Mathematikern und Physikern die gleiche Frage an, aber für eine Klasse von normaleren, schwierig zu modellierenden, sich schnell drehenden Schwarzen Löchern. [Die seltsamsten schwarzen Löcher im Universum]

Ohne die extremen Umstände der geladenen Schwarzen Löcher, die Hintz und seine Kollegen untersuchten, fanden sie die kosmische Zensur noch intakt. Energiestrahlen würden immer noch zerfallen, wenn sie sich der Art von Singularität nähern, die sie modelliert haben, aber nicht schnell genug, um diese tödliche Blauverschiebung zu verhindern. Ein tödliches Feuer brennt immer noch in dieser viel wahrscheinlichen Grenzregion der Realität.

Hintz sagte, es sei wichtig zu verstehen, dass sein und das Modell seines Kollegen vom Universum "weit hergeholt" seien. Aber diese Art von abstrakter Forschung kann allgemein akzeptierte Vorstellungen von Realität durchbrechen und Forschungsfelder eröffnen, wie es die experimentelle Wissenschaft nicht kann.

"Es ist sehr schwer, mit rauchenden experimentellen Experimenten von außen zu kommen, dass etwas in schwarzen Löchern vor sich geht", sagte er.

Aber diese Forschung zeigt, dass, egal ob wir es jemals sehen werden, etwas aus unserem Universum nur einen Blick darauf werfen könnte.