Schwarze Löcher sind faszinierend. Kaum ein Science-Fiction-Buch oder Film kommt ohne sie aus und diese Himmelskörper regen die Fantasie so gut wie aller Menschen an. Das liegt einerseits daran, dass wir diese Objekte noch nicht komplett verstehen und nicht wissen was sie eigentlich sind. Andererseits wissen wir auch nicht Nichts; wir wissen, wie die schwarzen Löcher entstehen (aus dem Kollaps großer Sterne), wir wissen wie sie sich in vielen Bereichen verhalten und wie sie ihre Umgebung beeinflussen (und wir wissen übrigens auch, dass sie keine Staubsauger sind und alles “ansaugen”). Aber sie sind werden eben immer noch aktiv erforscht und über fast jede Neuigkeit wird – im Gegensatz zu vielen anderen wissenschaftlichen Forschungsergebnissen – in den Medien berichtet. Da trifft dann die Faszination und die Freude an der Spekulation auf die wissenschaftliche Realität und dieser Gegensatz ist hier besonders hart. Wenn es darum geht, schwarze Löcher zu verstehen (oder auch nur die Facharbeiten der Wissenschaftler), dann muss man so richtig, richtig viel Ahnung von Mathematik haben! Mathematik, von der auch die meisten übrigen Wissenschaftler kapitulieren. Und als Laie hat man so gut wie keine Chance, hier die Grundlagen zu verstehen, auf denen die Medienberichte basieren. Das gilt auch für die Journalisten die darüber berichten (und das ist jetzt nicht als Vorwurf gemeint) und dementsprechend missverständlich oder lückenhaft sind deren Artikel oft.

Künstlerische Darstellung eines supermassereichen Lochs im Zentrum einer Galaxie mit leuchtender Scheibe und Jet (Bild: ESO/M.Kornmesser)

Künstlerische Darstellung eines supermassereichen Lochs im Zentrum einer Galaxie mit leuchtender Scheibe und Jet (Bild: ESO/M.Kornmesser)

Aber wenn eine prominente und öffentliche Figur wie Stephen Hawking etwas Neues über schwarze Löcher zu sagen hat, dann wollen alle berichten. Und da Hawking vor kurzem auf einer Konferenz in Stockholm tatsächlich wieder ein paar neue Ergebnisse präsentiert hat, gab es in den letzten Wochen überall in den Medien wieder etwas über schwarze Löcher zu lösen. Über Hologramme. Über andere Dimensionen. Darüber, dass nun die Handlung des Kinofilms “Interstellar” doch real sein könnte und man durch schwarze Löcher reisen kann. Und so weiter. Alles sehr faszinierend – aber nicht immer das, worum es eigentlich geht.

Ich bin weit davon entfernt, ein Experte für schwarze Löcher zu sein und habe von der Mathematik die für deren Untersuchung nötig ist, kaum mehr Ahnung als der durchschnittliche Laie. Aber ich möchte zumindest probieren, die Ergebnisse von Hawking kurz zusammenzufassen, so wie ich sie verstanden habe.

Und für alle die mehr Ahnung haben als ich, gibt es hier noch ein Video von Hawkings Vortrag:

Das, worum es in diesem Fall geht, ist das sogenannte “Informationsparadoxon”. Ein schwarzes Loch ist deswegen so außergewöhnlich, weil es sehr viel Masse auf sehr kleinem Raum vereinigt und man der Masse deswegen auch viel näher kommen kann, als das bei weniger dichten Objekten der Fall ist. So nahe, dass die Anziehungskraft der man ausgesetzt ist, irgendwann so groß ist, dass keine Rückkehr möglich ist. Je stärker die Anziehungskraft eines Himmelskörpers, desto schneller muss man sich bewegen, wenn man sie überwinden will. Hinter dem “Ereignishorizonts” eines schwarzen Lochs ist die nötige Geschwindigkeit aber größer als die Lichtgeschwindigkeit. Und da man die nicht überschreiten kann, kann man auch dem Ereignishorizont nicht mehr entkommen. Alles, was dahinter verschwindet, bleibt auch dort. Selbst das Licht, weswegen ein schwarzes Loch ja auch “schwarz” ist.

Der Ereignishorizont ist eine Grenze, durch die keine Information dringen kann. Von außen gibt es nur drei Eigenschaften, die man von einem schwarzen Loch bestimmen kann: Seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Drehimpuls. Das ist alles – und die Grundlage des Informationsparadox. Denn alles, was hinter dem Ereignishorizont verschwindet, bleibt dort und jegliche Information darüber mit ihm. In einem schwarzen Loch kann also Information verschwinden. Und es wird noch schlimmer: Stephen Hawking wurde unter anderem deswegen so berühmt, weil er heraus fand, dass ein schwarzes Loch in gewissen Sinn doch nicht komplett schwarz ist. Aufgrund gewisser Quanteneffekte kann eine sehr, sehr schwache Strahlung am Ereignishorizont entstehen, die dem Loch im Laufe der Zeit Energie/Masse entzieht. Während sehr langer Zeiträume (länger als die bisherige Lebensdauer des Universums) löst sich so ein Loch auf. Es verschwindet und mit ihm alle Informationen über alles, was je hinter seinem Ereignishorizont gelandet ist. Schwarze Löcher vernichten also Information und das widerspricht diversen grundlegenden Gesetzen von Relativitätstheorie und Quantenmechanik.

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Kommentare (47)

  1. #1 Bjoern
    4. September 2015

    Danke für die schöne Zusammenfassung! 🙂

    Ein paar nitpicks:

    …, dann wollen berichten.

    In dem Satz fehlt ein Subjekt… 😉

    …das Informationsparadoxon zu lesen.

    “lösen”

    …wenn Hawkings Theorie richtig ist.

    Hypothese. Bis zu einer Theorie ist es noch ein weiter weg.

  2. #2 Artur57
    4. September 2015

    Das Problem entsteht, soweit ich verstanden habe, durch ein Postulat der Quantenmechanik, wonach keine Information verloren gehen darf. Das Postulat taucht aber immer nur an dieser Stelle auf, sonst wird es eigentlich nirgends erwähnt.

    Aber warum? Welches Problem entsteht denn wirklich, wenn das Schwarze Loch nun alle Information der verspeisten Materie vernichtet? Ich sehe da keins.

  3. #3 Franz
    4. September 2015

    @Artur57
    Soweit ich weiß ist Information immer mit Energie verknüpft. Ein schwarzes Loch würde somit Energie ‘vernichten’.

  4. #4 Barbaz
    4. September 2015

    @Franz:
    Information ist nicht Energie, sondern Entropie! Aber auch hier gibt es entsprechende Erhaltungssätze, die eigentlich nicht verletzt werden dürfen.

    In dem Kontext und auch relevant zum Artikel empfehle ich den Abschnitt “Codierung am Ereignishorizont” aus diesem Wiki-Artikel: https://de.wikipedia.org/wiki/Holografisches_Prinzip

  5. #5 mathias
    4. September 2015

    @ #3 Franz: “Information” ist eher die Fähigkeit, zwischen Alternativen zu unterscheiden. Zwei verschiedene Quantenzustände können sich zwar mit der Zeit weiterentwickeln, jedoch müssen sie “immer” unterscheidbar bleiben. Diese Möglichkeit fällt aber beim Fall ins schwarze Loch, gemäß allgemeiner Relativitätstheorie, aus. Das eine ist also ein reversibler Vorgang, das andere nicht. Das hat mit Energie erst mal nichts zu tun. Wenn Energie reinfällt, wächst die Masse des schwarzen Lochs. Diese wird also nicht vernichtet.
    @ #2 Artur57: Da liegt auch das Problem. Es können daher nicht beide Theorien, Quantenphysik und allgemeine RT, zugleich gelten. Eine dieser nach heutiger Ansicht grundlegensten Theorien muss, prinzipiell, “falsch” sein. Und das hat Florian ja im Blog geschildert.

  6. #6 bikerdet
    4. September 2015

    @ mathias :
    Eine dieser nach heutiger Ansicht grundlegensten Theorien muss, prinzipiell, “falsch” sein.

    Das sehe ich nicht so. Eine oder beide Theorien sind nur ungeeignet ein SL zu beschreiben. So wie Newton keine relativistischen Effekte beschreiben konnte. Seine Theorie ist also nicht falsch, sondern ungeeignet diese Effekte zu erklären.
    Erst wenn wir das fehlende Puzzleteil gefunden haben, werden wir sagen können, ab welchen Moment Einsteins Theorie versagt und ab wann die Quantentheorie gültig wird. Und das muss nicht erst bei unserer Heute bekannten Grenze und vor allem nicht nahtlos der Fall sein. Es mag also durchaus Effekte geben, für deren Erklärung beide Theorien ungeeignet sind.
    SL scheinen mir so ein Fall zu sein.

  7. #7 mathias
    4. September 2015

    @#6 bikerdet: “So wie Newton keine relativistischen Effekte beschreiben konnte. Seine Theorie ist also nicht falsch, sondern ungeeignet diese Effekte zu erklären.”

    Eben deswegen liegt Newton, prinzipiell, falsch. Er läge nur richtig, wenn sowohl die Lichtgeschwindigkeit unendlich groß wäre, als auch das Wirkungsquantum Null betrüge. Als Näherung für Alltag und Technik ist seine Theorie jedoch super.

  8. #8 Hans
    4. September 2015

    @mathias, #7

    Eben deswegen liegt Newton, prinzipiell, falsch. Er läge nur richtig, wenn sowohl die Lichtgeschwindigkeit unendlich groß wäre, als auch das Wirkungsquantum Null betrüge.

    Mit Verlaub, aber das ist Unfug!
    Wenn Newton’s Theorie falsch wäre, könnte man sie für nichts verwenden. Da man sie aber für vieles verwenden kann, ist sie prinzipiell richtig. Der Haken ist, dass ihr Gültigkeitsbereich eingeschränkt ist. Und an den Stellen, wo man mit Newtons Theorie nicht mehr weiter kommt, da kommt dann Einsteins Theorie ins Spiel und hilft weiter. Aber auch diese Theorie versagt an einigen Stellen, wie z.B. den schwarzen Löchern. Da muss dann eine neue, umfassendere Theorie her, die die Einsteinsche Theorie als Spezialfall enthält. Nur die haben wir noch nicht.

  9. #9 mathias
    4. September 2015

    Hier vielleicht noch ein interessanter Link für die Thematik:

    http://scienceandmathematics.blogspot.de/2015/09/10-hot-black-hole-topics.html

    @#8 Hans: Ich denke, ich habe mich klar genug ausgedrückt

  10. #10 demolog
    4. September 2015

    @ #5 mathias
    4. September 2015

    Was? Eine muß falsch sein? Das wäre ja neu.

    Vielleicht aber bleibt die Information zum “Etwas” nicht erhalten, sondern wird naturgesetzmäßig bei Bedarf neu generiert? Das ist wie ein Erhalten derselben. In form von Evidenz aus den Bedingungen (etwa des Raumes selbst).

  11. #11 alex
    4. September 2015

    @Hans:

    Wenn Newton’s Theorie falsch wäre, könnte man sie für nichts verwenden.

    Mit dieser (impliziten) Definition von “falsch” sind Deine und bikerdets Aussagen sicher richtig. Allerdings bezweifle ich stark dass das dem allgemeinen Sprachgebrauch entspricht.

    Desweiteren ist

    Der Haken ist, dass ihr Gültigkeitsbereich eingeschränkt ist.

    problematisch. Newtons Theorie beschränkt ihren eigenen Gültigkeitsbereich ja nicht. In der Principia steht nirgends (sinngemäß) “das alles gilt nur für v << c, Wirkungen >> ħ, und schwache Gravitationsfelder”.

  12. #12 demolog
    4. September 2015

    Aha, das Paper gibts erst Ende September! Ob er vorher nochmal “brainstormed”?

  13. #13 Realistischer
    4. September 2015

    Informationsparadoxien gibt’s aber doch viele im Leben, man denke nur an all die Geheimnisse die mit in’s Grab genommen wurden (und von denen man daher nichts weis). Ich würde sagen, es ist genau umgekehrt: die völlige Nachvollziehbarkeit allen Geschehens ist eine Illusion.

  14. #14 Hans
    4. September 2015

    @alex, #11

    Newtons Theorie beschränkt ihren eigenen Gültigkeitsbereich ja nicht. In der Principia steht nirgends (sinngemäß) “das alles gilt nur für v << c, Wirkungen >> ħ, und schwache Gravitationsfelder”.

    Wie sollte es auch? – Die Grössen waren zu Newtons Zeiten doch alle noch unbekannt, also c und ħ. Wie es mit Gravitationsfeldern genau aussieht, weis ich gerade nicht, aber ich meine, das die Gravitation eine Grösse ist, über die sich die Gelehrten damals noch einige Zeit stritten. Dann wäre da noch die Mathematik zur Beschreibung. Soweit ich weis, hat Newton zwar die Differentialrechnung entwickelt, um seine Theorie zu beschreiben, aber die zur Beschreibung und Berechnung von Feldern nötige Vektoranalysis? – Die haben andere später entwickelt, wenn ich mich nicht irre. Davon abgesehen, hat man die Grenzen der Theorie doch erst beim Gebrauch bemerkt, als sie Ergebnisse lieferte, die mit den Beobachtungen nicht übereinstimmten.
    Praktisch war es zu Newtons Zeiten auch nicht möglich, mit “Fahrzeugen” Geschwindigkeiten zu erreichen, die auch nur in die Nähe der Schall(!)geschwindigkeit kamen. Und das ist ja auch heute noch mit einigem Aufwand verbunden.
    Mit anderen Worten: Die Newtonsche Theorie kann die Grenzen ihrer Gültigkeit gar nicht vorher sagen, weil sie die Voraussetzungen dafür gar nicht kennt.

  15. #15 MartinB
    4. September 2015

    @Artur57
    Die zeitentwicklung im rahmen der Schrödingergleichung ist unitär, und die Gleichung ist reversibel in der Zeit. Das bedeutet, dass es immer möglich ist, aus dem zustand “jetzt” auf den Zustand “vorher” zurückzuschließen. Das wäre nicht mehr der fall, wenn ein Objekt ins Schwarze Loch reinfällt, aber am Ende thermische Strahlung rauskommt.
    Man muss aber dazusagen, dass dieses gesetz in dem Moment verletzt ist, wenn eine Messung in der Quantenmechanik stattfindet – dann wird ja ein zustand realisiert, das ich nicht mehr reversibel. Roger Penrose hat versucht, das zum Anlass zu nehmen und zu folgern, dass die Gravitation mit der QM-Messung zusammenhängt. Ich habe zwar nie explizit gelesen, dass man damit auch das Info-Paradoxon erschlagen würde, denke aber schon, dass das so ist.
    Das dumme ist nur, dass die Ideen von Penrose (zumindest in der einfachen) hier leider nicht zu den Experimenten passen. Bisher gibt es keine Evidenz dafür, dass Gravitation oder schwarze Löcher irgendwie mit der QM-Messung zusammenhängt; insofern besteht das Informationparadoxon weiterhin.

  16. #16 alex
    4. September 2015

    @Hans, #14:
    Selbstverständlich. Ich hielt diese Fakten nur für so offensichtlich, dass ich keinen Sinn darin sah, sie explizit auszuformulieren. Aber natürlich habe ich mich ihrer bedient, als ich meinen Kommentar schrieb; ich habe nicht vorher die gesamte Principia durchgelesen, und mein Latein wäre dafür eh zu schlecht. Der Punkt ist aber, dass dadurch Deine oben zitierte Aussage sehr problematisch wird. Newtons Theorie beschränkt ihren Gültigkeitsbereich nicht, behauptet also implizit, immer und überall zu gelten. Und das ist falsch. Eine Einschränkung des behaupteten Gültigkeitsbereichs muss von von Hand dazugenommen werden und ist nicht Teil der eigentlichen Theorie.

    Außerdem ist ihr Gültigkeitsbereich strenggenommen eine Nullmenge (für ein geeignetes Maß). Einsteins Mechanik weicht für alle v > 0 von Newtons Mechanik ab. Diese Abweichungen sind natürlich für alltägliche Geschwindigkeiten (und auch weit darüber hinaus) verschwindend gering, aber sie sind vorhanden und prinzipiell messbar. D.h. selbst dort wo Newtons Theorie in der Praxis hervorragend funktioniert und jeden Tag problemlos angewendet wird, liefert sie strenggenommen falsche Ergebnisse. Eine solche Theorie würde ich durchaus als “falsch” bezeichnen. Aber natürlich ist sie weniger falsch als z.B. Aristoteles’ Mechanik.

  17. #17 mathias
    4. September 2015

    @#15 MartinB: Der Messprozess in der QM ist zwar irreversibel, hat aber mit dem hier besprochenen Problem der Informationserhaltung überhaupt nichts zu tun. Es geht doch um die Unterscheidung der verschiedenen Zustandsvektoren. Wenn die orthogonal sind, bleibt das auch so. Unitäre Entwicklung. Nach dem Fall ins schwarze Loch wären diese Zustände jedoch nicht mehr unterscheidbar und daher ist dieser Fall kein unitärer Prozess mehr. Und das ist eine andere Irreversibilität, welche sich womöglich in der Entropie/Oberfläche des Ereignishorizontes widerspiegelt (Bekenstein Formel).

  18. #18 alex
    4. September 2015

    @mathias:
    Angenommen

    Wenn die orthogonal sind, bleibt das auch so.

    bezieht sich auf den Messprozess, dann ist das i.A. falsch. Man betrachte beispielsweise in einem Spin-1/2 System die beiden Eigenzustände des Operators der x-Komponente des Spins und messe an beiden den Spin in z-Richtung. Vor der Messung sind die Zustände orthogonal, nach der Messung sind sie mit 50% Wahrscheinlichkeit identisch. Der Messprozess ist nicht unitär. Wenn man weiß dass der Zustand nach der Messung Spin-up in z-Richtung ist, kann man daraus nichts über den Zustand vor der Messung sagen.

  19. #19 mathias
    4. September 2015

    @alex Das stimmt ja. Nur hier, der freie Fall ins schwarze Loch sollte aber am Ereignishorizont kein Messprozess sein. Nach ART. Das ist doch die ganze Problematik.

  20. #20 hampel
    5. September 2015

    Je mehr ich über schwarze Löcher lese, desto weniger verstehe ich..

    Zb. Das ein schwarzes Loch “schwarz” ist wegen der enormen Anziehungskraft, dass funktioniert doch nur in einem newtonschen Model oder nicht?
    General Relativity würde aber doch eine Raumzeitkrümmung als schwarzes Loch beschreiben oder nicht? Also entkommt kein Licht vom schwarzen Loch weil es so extrem gekrümmt ist?

    Wenn ja , wie passt das damit zusammen, dass man doch angeblich als externer Beobachter NIEMALS (also auch keine Photonen! ?) etwas den Eventhorizont überschreiten sieht?
    Help! 🙂

  21. #21 Florian Freistetter
    5. September 2015

    @hampel: “Wenn ja , wie passt das damit zusammen, dass man doch angeblich als externer Beobachter NIEMALS (also auch keine Photonen! ?) etwas den Eventhorizont überschreiten sieht?”

    Wo ist da jetzt für dich der Widerspruch? Ich sehe das Problem gerade nicht – vielleicht kannst du das noch einmal anders formulieren?

  22. #22 Braunschweiger
    5. September 2015

    @hampel:
    Da vermute ich mal eine grundsätzliche Wissenslücke und versuche eine Erklärung:
    “Schwarz” im physikalischen Sinn ist keine Farbe, sondern das Fehlen jeglicher Farbe, also des Lichtes überhaupt. So, wie Kälte das Fehlen von Wärme ist. Es gibt natürlich kein “echtes” Schwarz, denn überall wird ein Restlicht abgestrahlt oder reflektiert, selbst der Weltraum hat eine Hintergrundstrahlung.

    “Schwarz” ist in der Physik eine symbolische Beschreibung dafür, dass von einer bestimmten Stelle keine Strahlung kommt, oder dass dies zumindest angenommen wird. Man hat also Schwarze Löcher so genannt, weil von dort keine Strahlung kommen kann, wenn man sie denn sehen könnte (das ist nicht zu verwechseln mit Strahlung, die noch außerhalb des Ereignishorizonts erzeugt wird und entkommen kann).

    Allerdings wird ein Schwarzes Loch verdeckt durch Licht, dass von hinter dem Objekt (aus Sicht eines Betrachters) um das Objekt herum gelenkt wird. Man muss unterscheiden zwischen Licht, dass den Ereignishorizont überschreitet und nicht mehr entkommt, und solchem das noch daran vorbei kommt, abhängig vom Abstand zum Zentrum. Das Konzept der Raumkrümmung ist schwierig zu erklären, weil nur scheinbar intuitiv.

    Es ist besser sich vorzustellen: Licht wird von der Gravitation festgehalten und nicht mehr losgelassen, wenn eine bestimmte Gravitationskraft erreicht wird, und dies hängt ab von der Masse des SLs, vom Abstand zu seinem Zentrum und der Energie des Lichtes (bzw. dem zugeordneten Masseäquivalent). Daraus ergibt sich gerade eben der Ereignishorizont.

    Gegenfrage: Woher weißt du, was im Newtonschen Modell funktioniert, was weißt du darüber, was Allgemeine Relativität über Raumzeitkrümmung beschreibt? — Gerade wenn du Wissenslücken hast, zeigt das doch, dass du in vielen Punkten nicht viel weißt, oder?

  23. #23 MartinB
    5. September 2015

    @matthias
    ” der freie Fall ins schwarze Loch sollte aber am Ereignishorizont kein Messprozess sein. ”
    Aber wenn ich es richtig sehe, ist das doch genau die Idee von Penrose – der will ja die QM um einen objektiven Messprozess erweitern (was allerdings komplizierter ist, als man auf den ersten Blick denkt), der durch Wechselwirkung mit Gravitonen ausgelöst ist.

  24. #24 Artur57
    5. September 2015

    @Martin #15

    Die zeitentwicklung im rahmen der Schrödingergleichung ist unitär, und die Gleichung ist reversibel in der Zeit. Das bedeutet, dass es immer möglich ist, aus dem zustand “jetzt” auf den Zustand “vorher” zurückzuschließen

    Mal in meinen Worten: vor mir steht ein Eisengewicht mit einem Kilo Gewicht. Es hat Zimmertemperatur, das heißt, es findet darin thermische Bewegung statt, die die Folge von Zusammenstößen mit Luftmolekülen (und thermischer Strahlung) ist. Das heißt, jedes Luftmolekül, das auf das Kilo auftraf, hat sich im Eisen verewigt und darin Information abgegeben. Wenn ich das Eisen nun auf nahe Null Kelvin abkühle, gibt es diese Information wieder ab, aber es gibt sie an die Umgebung weiter, wodurch die Information insgesamt erhalten bleibt.

    Jetzt werfen wir das Eisen in ein Schwarzes Loch. Damit ist die Information aus den zugänglichen Bereichen verschwunden. Aber ist sie ganz verschwunden? Also es spricht ja einiges für ein Ja. Das Schwarze Loch lässt vermutlich keine thermische Bewegung zu und damit wäre die Information endgültig gelöscht.

    Womit natürlich dann der Zweite Hauptsatz nicht mehr gälte und aus dem “Jetzt” nicht mehr auf das “Vorher” geschlossen werden kann. Die ganzen Schwierigkeiten, die man da hat, sind doch eigentlich nur deswegen entstanden, weil man diese Möglichkeit unter keinen Umständen zulassen will. Aber ich erlaube mir hier schon einmal zu fragen: was wäre denn so schlimm, wenn das Schwarze Loch wirklich die Entropie reduzieren würde und hier der Zweite Hauptsatz nicht gälte?

    Es ist ja immerhin umstritten, ob er tatsächlich ein Naturgesetz darstellt.

  25. #25 mathias
    5. September 2015

    @MartinB:
    “er will ja die QM um einen objektiven Messprozess erweitern (was allerdings komplizierter ist, als man auf den ersten Blick denkt), der durch Wechselwirkung mit Gravitonen ausgelöst ist.”
    Und Hawking sagt jetzt (offensichtlich nicht als erster), dass die Information ohne Messprozess am Ereignishorizont geklont wird, was eigentlich quantenmechanisch verboten ist. Nur können beide Versionen nicht mehr miteinender kommunizieren, was dann wieder erlaubt ist. Eine Version verbleibt “holografisch” auf der Oberfläche, was dann die Entropie (und Temperatur) des schwarzen Lochs bedingt.
    Solange keine schlüssige Quantengravitation etabliert ist, denke ich, dass da noch alle möglichen Lösungsvorschläge auftauchen werden. Als Beschreibung des momentanen Ist-Zustandes der Problematik kann ich für “Spezialisten” vielleicht noch einen Buchvorschlag einbringen:
    http://www.amazon.de/Holographic-Universe-Introduction-Information-Revolution/dp/9812561315/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1441448573&sr=8-1&keywords=Leonard+Susskind+Black+Holes%2C+Information
    Ich denke dieser Ist-Zustand hat sich seit dem Jahr 2005 nicht signifikant geändert.

  26. #26 Krypto
    5. September 2015

    @Florian:

    Wenn jetzt die Hawking-Strahlung das schwarze Loch verlässt und dabei dieses Hologramm durchquert, kann sie die Information zurück nach außen tragen.

    Das verstehe ich vom Prinzip her nicht:
    Bisher dachte ich, dass die Hawking-Strahlung außerhalb des EH entsteht und daher nicht Information mitnehmen kann, die innerhalb liegt. Indessen annihiliert das jeweilige Antiteilchen im Inneren.

  27. #27 MartinB
    5. September 2015

    @mathias
    Ja, da gibt es auch das Buch “Black Hole Wars”, da wird das mit der holographischen Idee auch schon erzählt.

  28. #28 MartinB
    5. September 2015

    @Krypto
    Soweit ich das verstehe, soll das Hologramm nicht innerhalb, sondern ziemlich genau am Ereignishorizont liegen.

  29. #29 dgbrt
    5. September 2015

    Ich verstehe die ganze Diskussion um das sogenannte “Informationsparadoxon” nun wirklich nicht. Es geht doch überhaupt nichts verloren! Es ist nur im inneren der Schwarzen Lochs aber immer noch in unserem Universum. Da Informationen aber nur maximal mit Lichtgeschwindigkeit übermittelt werden können kommt das da nicht mehr heraus.

    Mit der Schwarzschild-Metrik kann man sehr schön das Innere eines Schwarzen Lochs berechnen. Je näher man sich zum Ereignishorizont bewegt, desto langsamer geht die Zeit (wie von außen auch). Natürlich wird auch der Raum stark verzerrt.

    Warum soll also das Innere eines Schwarzen Lochs nicht mehr zu unserem Universum gehören?

  30. #30 Alderamin
    6. September 2015

    @dgbrt

    Es geht doch überhaupt nichts verloren! Es ist nur im inneren der Schwarzen Lochs aber immer noch in unserem Universum.

    Doch. Es gibt das “No-Hair-Theorem“, nachdem Schwarze Löcher nur 3 einfache Eigenschaften haben und ansonsten ununterscheidbar sind, wie Elementarteilchen: 1. Masse, 2. Ladung, 3. Drehimpuls. Die Information mag im Schwarzen Loch sein, aber sie ist nicht mehr zugänglich und es ist die Frage, wie sie wieder herauskommen soll, wenn das Schwarze Loch per Hawking-Strahlung zerfällt. Dann kann sie sich nämlich nicht mehr hinter einem Ereignishorizont verstecken.

  31. #31 hampel
    6. September 2015

    @Braunschweiger

    Danke, hilft mir etwas.

    Ich weiß nicht ob du mir im letzten Abschnitt irgendwie Unwissenheit unterstellen willst ? Musst du nicht, mach ich ja schon selbst.
    Ich hab nicht die nötigen Kenntnisse Behauptungen aufzustellen .Ich bin nur verwirrt von den erheblich unterschiedlichen populären Erklärungen zu schwarzen Löchern/GR
    Wenn Florian also schreibt, es entkommt ,wegen der starken Anziehungskraft ,kein Licht vom schwarzen Loch ,dann habe ich mit meinem Verständnis von Gravitation als Scheinkraft, bzw Raumkrümmung ein Problem.
    Sollte die Erklärung nicht “einfach” sein :
    Für das Licht gibt es -aufgrund der absurden Krümmung -keine Richtung “nach außen” mehr?

    Ohje ich hoffe es ergibt jetzt Sinn.
    Da war kein Vorwurf oder sonstwas dabei :/

    Die andere Frage vllt noch etwas anders gestellt: Was sieht frau von einer leuchtenden/blinkende Quelle , die auf ein schwarzes Loch zufällt, wenn sie den Ereignishorizont erreicht?(bzw für uns als Beobachter sollte es den Horizont ja niemals erreichen oder? )

  32. #32 Mirko
    HH
    6. September 2015

    Hallo,

    1.) Danke an Florian für das Buch aus dem Rätsel, ist also angekommen.
    2.) In einem Kapitel zur aktuellen Masseverteilung bzw Energiedichte im Universum (die groben Zahlen kennt man ja mit ca 4% bekannter Materie usw) wird ein Anteil von 0,04% genannt als der Anteil gewöhnlicher M, der per heute in Schwarzen Löchern versenkt ist.
    Frage: Woher hat man diese Zahl? Ist das reine Wahrscheinlichkeitsrechnung oder Hochrechnung aus ‘beobachteten’ SLs.
    PS: Photonen liefern danach übrigens einen Anteil von 0,005% der Energiedichte.
    3.) Zum Informationsverlust: fällt ein Elementarteilchen in eine Singularität, sind sein Ort und Impuls plötzlich genau bestimmt, was also Heisenberg widerspricht. Ist das schon der angesprochene Informationsverlust (oder sind beides keine Informationen?) oder eher noch der Widerspruch zw ART und QM bei schwarzen Löchern, den man (noch) nicht gelöst bekommt?

  33. #33 MartinB
    6. September 2015

    @hampel
    “Sollte die Erklärung nicht “einfach” sein :
    Für das Licht gibt es -aufgrund der absurden Krümmung -keine Richtung “nach außen” mehr?”
    Ja, das ist eine gute Beschreibung – alle Bahnen, die in die Zukunft führen, führen innerhalb des Ereignishorizonts nach Innen. Wichtig ist, dass man immer im Kopf hat, dass es nicht nur um Raumkrümmung gehtm sondern um Raum-Zeit-Krümmung. (Siehe die diversen Artikel in meinem Blog…)

  34. #34 mathias
    6. September 2015

    @MartinB #33: Formal werden ja am Ereignishorizont Raum und Zeit vertauscht (Vorzeichenwechsel in der Schwarzschild Metrik). Innerhalb kann es dann nur eine Raumrichtung geben, so wie es außerhalb nur eine Zeitrichtung gibt.

    @Mirko #32: Zu 3) Das liegt daran, dass die allgemeine Relativitätstheorie eine “klassische”, also keine quantenmechanische, Theorie ist. Da gibt es per se keine Energie/Impuls-Unschärfe. Hat also mit dem “Informationsverlust” nichts zu tun.
    Und das ist ja der “heilige Gral” der theoretischen Physik, wonach sich letztendlich alle sehnen: Eine Quantengravitation mit der allgemeinen Relativitätstheorie als Grenzfall. So wie Newton schon ein Grenzfall der nichtrelativistischen Quantenmechanik ist. Letztere ohne Singularitäten, was letztendlich die Stabilität der Atome erklärt.

  35. #35 MartinB
    6. September 2015

    @mathias
    Ist das so? Ist das nicht im wesentlichen ein Problem der Schwarzschild-Koordinaten? In anderen koordinatensystemen hat man ja am EH keine Singularität. Ich täte mich auch etwas schwer damit zu sagen, dass es dann ja innerhalb des EH drei zeit- und eine Raumdimension geben müsste.
    Man kann doch auch innerhalb des Sl noch Lichtkegel zeichnen, die sind halt nur komplett nach innen geneigt.

  36. #36 Alderamin
    6. September 2015

    @hampel

    Sollte die Erklärung nicht “einfach” sein :
    Für das Licht gibt es -aufgrund der absurden Krümmung -keine Richtung “nach außen” mehr?

    Ich finde es anschaulich schön (wenn auch vielleicht physikalisch nicht korrekt) sich die Schwerkraft als eine Art Flüssigkeitsstrom vorzustellen, der der Masse entgegenfließt. Relativ zu der Flüssigkeit kann man sich nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, aber man kann in ihr reibungsfrei gleiten. Am Ereignishorizont fließt die Flüssigkeit mit Lichtgeschwindigkeit in das Schwarze Loch hinein und somit kann man nicht mehr schnell genug gegen den Strom schwimmen, um den Absturz zu verhindern.

    Das Modell veranschaulicht auch, dass um eine rotierende Masse die Raumzeit mitgezogen wird. Beim schnell rotierenden Schwarzen Loch kann man dann nur so schnell um dieses kreisen, wie es die mitgezogene Flüssigkeit zulässt. Mehr als +/- Lichtgeschwindigkeit in Bezug auf die Flüssigkeit geht nicht.

    Über die Stärken und Schwächen dieses Modells haben wir in Martins Blog diskutiert (siehe Kommentare unten). Ich find’s gut zur Veranschaulichung, wie auch das Gummituch-Modell für die Schwerkraft, das auch seine Schwächen hat.

    Was man übrigens auch noch beachten sollte (und was mit dem Flüssigkeitsmodell verständlich ist): Es gibt nicht nur den einen Ereignishorizont. Jeder Beobachter hat vielmehr seinen eigenen. Im allgemeinen ist von demjenigen die Rede, der für einen Beobachter in unendlicher (bzw. hinreichend großer) Entfernung gilt (wo die Flüssigkeit ruht). Wenn man hinter einem Objekt herfällt, in Richtung auf das Schwarze Loch, dann verschwindet dieses Objekt aber nicht an jenem Ereignishorizont, denn man ist selbst ja auch in der bewegten Flüssigkeit unterwegs, und wenn das Objekt schon keine Signale mehr in die Unendlichkeit senden kann, dann können sie den hinterher fallenden Beobachter durchaus noch erreichen. Irgendwann wird aber der Unterschied in der Fließgeschwindigkeit zwischen dem Objekt und dem Beobachter unweigerlich so groß, dass das Objekt einen Ereignishorizont überschreitet und verschwindet, nur eben einen anderen, als denjenigen für einen Beobachter im Unendlichen.

    Deswegen bemerkt man als fallender Beobachter auch keinen Ereignishorizont (na gut, wenn irgendwann die voraus fallenden Füße aus Sicht des Kopfes den Ereignishorizont erreichen, dann spätestens schon, man endet ja unweigerlich als Spaghetti in eigener Soße). Aber grundsätzlich ist ein Ereignishorizont etwas, das man nur aus einem gewissen Abstand wahrnimmt, und für jeden Abstand/Eigengeschwindigkeit einen anderen.

  37. #37 Alderamin
    6. September 2015

    @MartinB

    Ich täte mich auch etwas schwer damit zu sagen, dass es dann ja innerhalb des EH drei zeit- und eine Raumdimension geben müsste.

    So wie ich’s verstanden habe, wird die radiale Richtung zur Zeitdimension. Orthogonal dazu kannst Du Dich bewegen, wie Du willst. Nützt Dir aber nichts.

  38. #38 mathias
    6. September 2015

    @MartinB
    Ich brachte deswegen den “einfachsten” Fall der kugelsymmetrischen Schwarzschild-Metrik ein, weil eben in dieser meines Wissens nach das Informationsparadoxon hauptsächlich diskutiert wird. Tatsächlich wechseln dort auch nur der Radialanteil des Raumes, sowie der Zeitanteil das Vorzeichen. Für die Umgebung der Grenzfäche werden dabei Rindler-Koordinaten verwendet, worin dann die Quantenfelder sowie die Thermodynamik diskutiert werden.

  39. #39 Niels
    6. September 2015

    @mathias

    Formal werden ja am Ereignishorizont Raum und Zeit vertauscht (Vorzeichenwechsel in der Schwarzschild Metrik). Innerhalb kann es dann nur eine Raumrichtung geben, so wie es außerhalb nur eine Zeitrichtung gibt.

    Das liest man zwar häufig, auch in Fachliteratur, ist aber soweit ich es sehe falsch.

    Zwar wird am Ereignishorizont tatsächlich in Schwarzschild-Koordinaten r zeitartig und t raumartig. Das zeigt aber nur, dass die Schwarzschild-Koordinaten für die Beschreibung dieser Situation ungeeignet werden, weil am Horizont eine Koordinatensingularität vorliegt.
    Man kann doch sogar die Minkowski-Raumzeit mit einem komplizierten Koordinatensystem beschreiben, in dem die Koordinatenlinien ihren Charakter von raumartig zu zeitartig wechseln. Obwohl die Raumzeit flach ist. Physikalische Bedeutung hat das also offensichtlich nicht.

    Die Schwarzschild-Lösung beschreibt doch eindeutig eine Raumzeit, die global die Signatur (3,1) hat. Es findet also nirgendwo ein Signaturwechsel statt.
    In geeigneteren Koordinaten (Eddington-Finkelstein, Kruskal-Szekeres) passiert auch nichts besonders mehr mit den Koordinaten am Ereignishorizont.
    Das zeigt, dass Koordinaten keine physikalische Bedeutung haben, sondern eben nur Lichtkegel (am Horizont kippt der Zukunftslichtkegel nach innen ), Weltlinien (innerhalb des Ereignishorizontes verlaufen alle zukunftsgerichteten zeitartigen und lichtartigen Geodäten so, dass r ständig abnimmt), usw.

    Tatsächlich wird das im Außenraum hyperflächenorthogonale zeitartige Killing-Vektorfeld exakt am Horizont lichtartig und im Inneren dann raumartig. Das zeigt aber nur, dass die Raumzeit im Inneren nicht mehr wie im Äußeren statisch sein kann.

  40. #40 MartinB
    6. September 2015

    @Niels
    Danke, so hatte ich es auch immer verstanden.
    Ich hoffe, bei Florians Schreibwettbewerb ist ein Beitrag von dir dabei…? [große gestiefelter-Kater-Augen]

  41. #41 Komplex
    6. September 2015

    @Alderamin
    “1. Masse, 2. Ladung, 3. Drehimpuls”

    Die räumliche Ausdehnung (Schwarzschild-Radius) ist doch auch eine Eigenschaft, oder?

  42. #42 RainerO
    6. September 2015

    Der Schwarzschildradius ergibt ich aber aus diesen 3 Größen.
    https://de.wikipedia.org/wiki/Ereignishorizont

  43. #43 hampel
    7. September 2015

    @alle
    Vielen, vielen dank schonmal!
    Ich wollte den Eintrag hier ja nicht zum schwarzen Loch FAQ machen, aber eine Frage muss ich jetzt noch loswerden.
    Wenn es generell , hinter dem Ereignishorizont , nur noch nach “innen ” geht, ist es dann nicht egal ob ein Objekt Lichtgeschwindigkeit hat oder nicht?
    Andersherum, auch Überlichtgeschwindigkeit würde mir nicht aus diesem Teufelskreis heraus helfen! ?

  44. #44 Florian Freistetter
    7. September 2015

    @hampel: “Andersherum, auch Überlichtgeschwindigkeit würde mir nicht aus diesem Teufelskreis heraus helfen! ?”

    Ich hab mal ne schöne Beschreibung gehört: In einem schwarzen Loch sind Raum und Zeit so extrem verformt, das die Richtung “nach außen” schlicht und einfach nicht mehr existiert…

  45. #45 Niels
    7. September 2015

    @hampel

    Wenn es generell , hinter dem Ereignishorizont , nur noch nach “innen ” geht, ist es dann nicht egal ob ein Objekt Lichtgeschwindigkeit hat oder nicht?
    Andersherum, auch Überlichtgeschwindigkeit würde mir nicht aus diesem Teufelskreis heraus helfen! ?

    Na ja, doch.
    (Wobei die Frage eigentlich unphysikalisch ist, zumindest wenn man sie im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie beantwortet. Dort gibt es nämlich schlicht keine Überlichtgeschwindigkeiten.)

    Wenn ein Objekt aber irgendwie auf magische Weise Überlichtgeschwindigkeit erreicht hätte, würde es sich auf einer raumartigen “Weltlinie” bewegen. Solche “Weltlinien” führen durchaus aus dem schwarzen Loch hinaus.
    Nebenbei würden Objekte auf solchen Bahnen natürlich immer das Kausalitätsprinzip verletzen.

    @all
    Zeigt dieses Beispiel nicht auch irgendwie, dass
    “innerhalb gibt es dann nur noch eine Raumrichtung, weil Raum und Zeit die Rollen tauschen”,
    falsch sein muss?
    Oder kann man sich da mit der Verletzung der Kausalität für überlichtschnelle Objekte herausreden.

    @MartinB
    Sorry, die Einreichfrist ist schon abgelaufen. 😉

  46. #46 walter
    9. September 2015

    Schwarze Löcher sind irgendwie faszinierend. Was mich allerdings stört, ist, dass in vielen Dokumentationen (und da ganz besonders meine “Lieblinge” aus den USA, die ja zu 90% Schrott sind) schwarze Löcher nicht als extrem massereiche Objekte dargestellt werden, sondern als Loch im Universum. Da fällt alles reich, da kommt nix raus usw. Das vermittelt dann den Eindruck, dass man da z.b. durchlatschen kann um weiß der Teufel wohin zu kommen (Wurmloch). Man fliegt schnell mal hin, Ereignishorizont wird fluggs überschritten und ab geht die Reise – durch eine oft dargestellte Röhre mit lustigen Lichterscheinungen. Vielleicht trägt auch die Bezeichnung zu diesem “Missverständnis” bei. Schade eigentlich, dass dadurch im Grunde falsches Wissen auf die breite Masse losgelassen wird.

  47. #47 Jarod
    Deutschland
    19. Oktober 2017

    Ein interessanter Artikel!

    Wenngleich ich nun aber dem Stephen sein Gebrabbel verstehen können müsste…
    Interessant aber auch die Diskussion in den Kommentaren. Aus denen Themen heraus müssten nochmal 3-4 neue Artikel geschrieben werden. Respekt auch für die recht gesittete Auseinandersetzung!

    Grüße!