Schwarze Löcher kennt mittlerweile fast jeder: die alles verzehrenden Regionen im Weltall, die so dicht sind, dass nicht einmal Licht aus ihrem mysteriösen Inneren entweichen kann. Aber das sind nur eine Art von Schwarzen Löchern, selbst wenn sie es sindder berühmteste von allen.
Es kann andere Arten von Schwarzen Löchern geben, die andere physikalische Phänomene wie Schallwellen einfangen, und diese Arten von Schwarzen Löchern, die als schwarze Schalllöcher bekannt sind, könnten für das Verständnis ihrer lichtverbrauchenden Gegenstücke im weiteren Universum entscheidend sein.
Vor allem, was können uns akustische Schwarze Löcher über eine der umstrittensten Debatten der modernen Physik, das sogenannte Informationsparadox, sagen? Eine kürzlich durchgeführte Studie hat versucht, dies herauszufinden, und ihre Ergebnisse scheinen das Problem komplizierter zu machen.nicht weniger.
Was ist das Informationsparadox?
Ein allgemein bekanntes Verständnis von Schwarzen Löchern ist, dass alles, was in ein Schwarzes Loch fälltkommt nicht wieder raus, nicht einmal Licht. Aber 1971 schlug der Physiker Steven Hawking eine interessante Theorie vor, die eine Reihe von Diskussionen auslöste, die die Sichtweise der Physiker auf Schwarze Löcher veränderten. Er sagte voraus, dass die Gesamtfläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs niemalsDiese Aussage ähnelt dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Entropie oder der Grad der Unordnung innerhalb eines Objekts ebenfalls niemals abnehmen sollte.
Hawkings Theorie schlug vor, dass sich Schwarze Löcher wie thermische, wärmeabgebende Objekte verhalten könnten – im Widerspruch zum normalen Verständnis von Schwarzen Löchern als Objekten, die niemals Energie entweichen lassen. 1974 schlug Hawking eine Lösung für diesen Widerspruch vor, indem er zeigte, dass überAußergewöhnlich lange Zeitskalen könnten Schwarze Löcher unter Berücksichtigung ihrer Quanteneffekte sowohl Entropie haben als auch Strahlung emittieren dieses Phänomen wurde als „Hawking-Strahlung“ bezeichnet.
Hawking argumentierte, dass Schwarze Löcher tatsächlich als idealisierter schwarzer Körper im Weltraum fungieren, der alle Wellenlängen des Lichts absorbiert, aber Energie ausstrahlt, die als bezeichnet wirdSchwarzkörperstrahlung oder Hawking-Strahlung, entlang des gesamten Ereignishorizonts.
Das liegt daran, dass virtuelle Teilchen – Materie- und Antimaterie-Teilchen, die kurzzeitig aus dem Nichts im Weltraum auftauchen und aufgrund ihrer Nähe zueinander – einander sofort vernichten und die Energie freisetzen, die zu ihrer Herstellung verwendet wurde. Dieshält das lebenswichtige Gesetz der Thermodynamik aufrecht, das besagt, dass die Energie eines geschlossenen Systems des Universums konstant bleiben muss.
Wenn jedoch ein Paar virtueller Teilchen am Rand eines Ereignishorizonts auftaucht, wird eines der beiden Teilchen in das Schwarze Loch gesaugt, während das verbleibende Teilchen überlebt und als eine Energieform, die als Hawking bekannt ist, in den Weltraum fliegtStrahlung.
Sie können das Problem sehen, oder? Das Universum hat nur einen Teil seiner Energie genommen und Materie aus dem Nichts geschaffen, aber diese Energie nicht zurückbekommen.
Der einzige Weg, wie Hawking-Strahlung mathematisch existieren könnte, besteht darin, dass das einfallende Teilchen tatsächlich eine negative Energie hätte, die der positiven Energie entspricht, die zur Erzeugung der beiden Teilchen verwendet wurde, wodurch die Gesamtenergie des Universums erhalten bleibt.
Dies führt jedoch zu einem anderen Problem, da das in das Schwarze Loch fallende Teilchen nun ein Teil davon ist und somit die negative Energiebilanz des Teilchens aus der Energie des Schwarzen Lochs herausgenommen wird.
Es mag gering sein, alles in allem, aber wenn ein Schwarzes Loch kein zusätzliches Material an sich akkretiert, werden all diese verschwindend kleinen Energieabzüge beginnen, die Masse des Schwarzen Lochs zu reduzieren. Wenn man genügend Zeit hat, verdampft das Schwarze Loch tatsächlichnicht mehr existieren.
Sie fragen sich vielleicht, warum das ein Problem ist – schließlich ist das ein Schwarzes Loch weniger, auf das man da draußen zufällig trifft –, aber das Problem ist, dass Teilchen nicht nur Materie sind, sondern auch Quanteninformationen wie Position, Spin,und Geschwindigkeit.
Die Quantenmechanik, wie wir sie kennen, erfordert diese Information, genau wie die Energie des Universums, muss erhalten bleiben. Es mag bis zur Unkenntlichkeit verwürfelt sein, aber es gibt nichts in der Physik, das besagt, dass man nicht zurückgehen und diese Verwürfelung rückgängig machen und diese Informationen zurückfordern kann – es sei denn, sie befanden sich entweder in einem Schwarzen Loch oder waren in seinem Ereignishorizont kodiert, als dieses Schwarz warLoch verschwand und nahm diese Informationen mit sich.
Was mit dieser Quanteninformation passiert, ist das Herzstück des Informationsparadoxons, und Physiker und Philosophen haben seitdem vergeblich versucht, sie zu entwirren.
Was sind Schallschwarze Löcher?
Um ein akustisches Schwarzes Loch zu verstehen, schauen wir uns die Physik eines traditionellen Schwarzen Lochs im Weltraum an. Die Schwerkraft ist die Krümmung im Gewebe der Raumzeit, die durch die Masse eines Objekts verursacht wird. Diese Krümmung kann man sich als schräge Vertiefung mit dem Objekt vorstellenunten, das Gewebe nach unten ziehen und unter die Ebene der unbeeinflussten Raumzeit strecken.
Um aus diesem Brunnen herauszuklettern, müssen Sie eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen, die als Fluchtgeschwindigkeit bekannt ist. Um der Schwerkraft der Erde zu entkommen, müssen Sie also etwa 6,95 Meilen pro Sekunde 11,19 m/s . zurücklegen oder etwas mehr als 25.020 mph ca. 40.270 km/h. Alles andere, und Sie werden schließlich auf die Erde zurückfallen.
Das Einzige, was Schwarze Löcher in diesem Sinne unterscheidet, ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit eines Schwarzen Lochs die Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Also kann Licht wie eine Rakete, die nur 10,8 Meilen pro Sekunde fliegt, sehr hoch die Steigung von adie Schwerkraft eines relativ kleinen Schwarzen Lochs gut, aber einfach nicht genug, um vollständig herauszukommen.
Tatsächlich würde das Licht in eine zerfallende Umlaufbahn eintreten, während es sich langsam zurück in die Mitte dreht, wie ein bisschen Schmutz, der sich im Whirlpool am Boden eines Abflusses in einer Badewanne verfängt. Je massereicher das Schwarze Loch, desto höherdie Steigung dieses Brunnens, so dass Licht ihn möglicherweise kaum erklimmen kann.
Ein schwarzes Schallloch ist dann genau das gleiche Phänomen, außer wenn die Fluchtgeschwindigkeit eines Objekts die überschreitetSchallgeschwindigkeit, eher als die Lichtgeschwindigkeit. Glücklicherweise ist die Schallgeschwindigkeit viel, viel niedriger als die Lichtgeschwindigkeit, so dass sich der Schall auf Meereshöhe mit einer Temperatur von 15 Grad Celsius auf Meereshöhe mit 761 Meilen pro Sekunde ausbreitetStunde ca. 1224,74 km/h.
Alles, was ein Objekt auf Meereshöhe und bei 59 Grad Fahrenheit brauchen würde, ist eine Fluchtgeschwindigkeit von unendlich mehr als 761 Meilen pro Stunde und es könnte den Schall daran hindern, seinem Ereignishorizont zu entkommen, genauso sicher wie seine raumbewohnenden Gegenstücke Licht einfangen.
Wie sind Schallschwarze Löcher und Schwarze Löcher im Weltraum analog?
Da sowohl schwarze Schalllöcher als auch leichte Schwarze Löcher diese grundlegende Eigenschaft in Bezug auf ihre Fluchtgeschwindigkeit aufweisen, besteht großes Interesse daran, ob wir schwarze Schalllöcher verwenden können, um die lichtverbrauchenden schwarzen Löcher, die wir im Weltraum finden, effektiv zu modellieren.
Dies ist besonders wichtig, da es unmöglich ist, die Hawking-Strahlung tatsächlich zu messen, da wir über einzelne Photonen sprechen würden, die direkt außerhalb eines Ereignishorizonts erscheinen. Diese wären zu schwach, um sie jemals zu erkennen, sagen wir, umgibt ein Schwarzes Loch in einem superkalten Dyson-Kugel-ähnlichen Detektor das jede äußere Strahlung blockiert und weniger Energie emittiert als das Schwarze Loch selbst.
Der einzige Weg, um Hawking-Strahlung wirklich zu testen, besteht darin, Analogien zu finden, die wir tatsächlich erstellen und messen können, und hier kommen schwarze Schalllöcher ins Spiel. Da ein Schallschwarzes Loch mit seinem eigenen Ereignishorizont für Schallenergie hatist etwas, das wir könnenin einem Lab erstellen, kann es uns Einblicke in die Hawking-Strahlung geben?
Ein Schlüsselmerkmal dieser schallharten Schwarzen Löcher ist, dass sie genauso in das Quantenfeld des Universums eingetaucht sind wie ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie, sodass virtuelle Teilchen ständig auftauchen und wieder verschwinden.einschließlich Phononen, die Quanteneinheiten des Schalls sind, die den Photonen des Lichts entsprechen.
Anisraelisches ForschungsteamErzeugte ein solches akustisches Schwarzes Loch mit etwa 8.000Rubidiumatome, die auf fast den absoluten Nullpunkt abgekühlt und mit einem Laserstrahl eingefangen werden, um ein Bose-Einstein-Kondensat BEC zu erzeugen, in dem Atome so dicht gepackt werden, dass sie sich wie ein Superatom verhalten.
Das Team verwendete dann einen zweiten Laserstrahl, um eine effektive Ereignishorizont, bei dem eine Hälfte des BEC schneller als die Schallgeschwindigkeit floss, während sich die andere Hälfte langsamer bewegte.
Was zeigen Experimente mit akustischen Schwarzen Löchern?
Was das Team von Technion in Haifa, Israel, unter der Leitung von Jeff Steinhauer herausfand, ist, dass Paare von Phononen Quantenschallwellen tatsächlich auf beiden Seiten des akustischen Ereignishorizonts erschienen, wobei das Paar in der langsameren Hälfte gefegt wurdeweg vom "Ereignishorizont" und das Phonon auf der schnelleren Hälfte wurde durch die Geschwindigkeit des mit Überschall fließenden BEC gefangen, so wie Hawking ein Photon vom Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs im Weltraum vorhergesagt hat.
In einer Studie veröffentlichte das Team im Januar 2021 in der ZeitschriftNatur, das Team hat berichtet, dass sie beobachtete spontane Hawking-Strahlung zu sechs verschiedenen Zeitpunkten nach der Bildung des Schallschwarzen Lochs und verifizierte, dass Temperatur und Stärke der Strahlung konstant blieben. Die Entwicklung der Hawking-Strahlung während der gesamten Lebensdauer des Schallschwarzen Lochs wurde auch mit derVorhersagen für echte Schwarze Löcher. Das Experiment zur Verfügung gestelltexperimentelle Unterstützung von Hawkings Analyse.
Allerdings bildete sich innerhalb des Schallschwarzen Lochs ein innerer Horizont, in dem die Schallwellen nicht mehr gefangen sind. Dieser innere Horizont stimulierte über die spontane Emission hinaus zusätzliche Hawking-Strahlung.Dieses Phänomen wurde in Hawkings Analyse nicht berücksichtigt.
Nicht jeder ist jedoch davon überzeugt, dass die beiden Arten von Schwarzen Löchern wirklich analog sind.
Ein wichtiger Streitpunkt ist, dass Hawking spekuliert, dass die Raumzeit entlang des gesamten Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs als glatt betrachtet werden kann; dies ist für die Erzeugung von Hawking-Strahlung unerlässlich.
Wenn die Raumzeit um den Ereignishorizont nicht glatt ist, jedoch Variationen auf der Quantenskalakönnte Informationen in Hawking-Strahlung kodierenauf eine Weise, die wir nicht erkennen können.
Außerdem beweist die Tatsache, dass sich schwarze Schalllöcher und die von ihnen erzeugte Hawking-Strahlung auf eine bestimmte Weise verhalten, nicht, dass sich die lichteinfangenden Schwarzen Löcher im Weltraum, die sie zu modellieren versuchen, ebenfalls auf die gleiche Weise verhalten werden.
Im jüngsten Experiment des Steinhauer-Teams kollabierte das Schallschwarze Lochjedes Mal, wenn sie ein Bild gemacht haben, aufgrund der dabei entstehenden Hitze das Team wiederholte sein Experiment 97.000 Mal über 124 Tage, um die Ergebnisse in ihrer Arbeit zu veröffentlichen.Die Rubidiumatome verschwanden jedoch nicht beim Kollaps; sie blieben, ebenso wie die Quanteninformation, die das einfallende Phonon ihnen einprägte. Diese Information kann theoretisch auch jetzt noch extrahiert werden.
Außerdem, obwohl sich ein akustisches Schwarzes Loch in einer Hinsicht genauso verhält, der Schaffung eines Ereignishorizonts, der eine Form von Hawking-Strahlung erzeugt, könnte es zu reduzieren sein zu sagen, dass die gemeinsame Nutzung einer Oberflächencharakteristik die beiden ausmachtauf fundamentaleren Ebenen identisch. Eine Ansammlung von 8.000 Rubidiumatomen in einem BEC ist nicht dasselbe wie eine Raumzeit-Singularität von unendlicher Dichte, in der die Physik, wie wir sie kennen, zusammenbricht. Eine Analogie ist schließlich nur eine Analogie.
Was bedeutet es, wenn Informationen in einem Schwarzen Loch wirklich zerstört werden?
Dennoch liefert dieses kürzliche Experiment einige Beweise dafür, dass Informationen, die in ein Schwarzes Loch fallen, dauerhaft verloren gehen, wenn das Schwarze Loch durch Hawking-Strahlung verdampftfalsch sein?
Ein Schlüsselprinzip der klassischen Physik ist, dass eine perfekte Kenntnis des Zustands aller Teilchen des Universums Ihnen die Möglichkeit geben sollte, den zukünftigen Zustand des Universums zu jedem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft zumindest theoretisch vorherzusagen.
Physik tut nicht erfordern, dass eine so perfekte Kenntnis eines aktuellen Zustands Ihnen die gleiche Vorhersagefähigkeit über die Vergangenheit gibt. Wenn zwei verschiedene Zustände A und B beide zu demselben Zustand C führen, können Sie wissen, dass A und Berhalten Sie C und C, aber C allein kann Ihnen nicht sagen, ob Sie mit A, mit B oder mit beiden begonnen haben. Diese Quanteninformation wäre für immer verloren, wenn A und B in den Zustand C übergehen.
Die Quantenmechanik verbietet diesen Informationsverlust jedoch aufgrund des Einheitsprinzips, das im Wesentlichen bedeutet, dass sich alle Wahrscheinlichkeiten eines gegebenen Quantenzustands zu 1 summieren müssen.
Wenn wir einen sechsseitigen Würfel betrachten, beträgt die Wahrscheinlichkeit, einen Wert zwischen 1 und einschließlich 6 zu erhalten, alle 1/6. Aber die Wahrscheinlichkeit, einen Wert zu erhalten beliebigWert ist 1, was die Summe aller sechs Wahrscheinlichkeiten von 1/6 ist.
Ein sechsseitiger Würfel kann nicht auch ein fünfseitiger Würfel werden, nur weil er gewürfelt wird, alle sechs Seiten des Würfels müssen beim Übergang zwischen den Quantenzuständen intakt bleiben, damit zwei Quantenzustände nicht zum gleichen Quantenzustand werden können, müssen sie getrennt und unterscheidbar bleiben.
Der Verlust von Quanteninformationen ist dann so, als würde man eine dieser Wahrscheinlichkeiten vom Brett nehmen, also addiert man nicht sechs Werte von 1/6, sondern fünf davon und erhält am Ende 5/6 statt 1. Wenn dies möglich wäre,dann ist die Schrödinger-Gleichung falsch, die Wellenfunktion ist falsch, im Wesentlichen ist die gesamte Grundlage der Quantenmechanik eine Lüge und nichts ist so, wie es zu sein scheint, auch wenn uns ein Jahrhundert Arbeit in der Quantenmechanik etwas anderes sagt.
Deshalb ist das Informationsparadox ein so heikles Problem, denn auch wenn etwas so Einfaches wie der permanente Verlust des Wissens über den Spin eines virtuellen Teilchens, wenn es in ein Schwarzes Loch fällt, nicht wichtig erscheint, ändert es sich undbringt die Wahrscheinlichkeiten des Universums, auf die sich die Quantenmechanik stützt, aus dem Gleichgewicht und verwandelt es von der Wissenschaft in nur wirklich gute Vermutungen, und niemand mag es, wenn man ihm sagt, dass er sich nur etwas ausdenkt.
Im Laufe der Jahre gab es alle möglichen Lösungsvorschläge für das Informationsparadox, und keine hat das Problem wirklich gelöst. Sonic Black Holes werden dies wahrscheinlich auch nicht tun, obwohl sie trotzdem ein ziemlich cooler Versuch sind.