Schwarze Löcher sind faszinierend. Schwarze Löcher sind für unseren Alltagsverstand kaum zu verstehen. Und schwarze Löcher sind der Ursprung jeder Menge Missverständnisse. Man stellt sie sich ja gerne als “Monster” vor, die nur irgendwo auftauchen müssen und dann alles gnadenlos “ansaugen” und vernichten – was definitiv nicht stimmt. Schwarze Löcher sind auch keine “Löcher”; es handelt sich dabei um extrem kompakte Überreste großer Sterne. Nachdem die Kernfusion in diesen Sternen zum Erliegen gekommen ist, kollabieren sie unter ihrem eigenen Gewicht.

Schwarze Löcher! Man kann sie zeichnen - aber auch verstehen? (Bild: NASA)

Schwarze Löcher! Man kann sie zeichnen – aber auch verstehen? (Bild: NASA)

Derzeit kennen wir keine Kraft oder keinen Effekt der diesen Kollaps aufhalten kann – was nicht heißt das es so eine Kraft nicht geben kann und ein schwarzes Loch tatsächlich ein singulärer Punkt ist. Auf jeden Fall aber ist die Materie eines schwarzen Lochs so sehr verdichtet, das seine gravitative Anziehungskraft enorm stark ist. So stark, dass die Geschwindigkeit die nötig ist um seine unmittelbare Umgebung zu verlassen größer wird als die Lichtgeschwindigkeit. Überschreitet man eine gewisse Grenze – den sogenannten Ereignishorizont – dann kann nichts dem Einflussbereich entkommen. Auch kein Licht, weswegen das Loch ja auch “schwarz” genannt wird.

Nur dass das genaugenommen auch nicht stimmt. Das vermuten wir zumindest. Stephen Hawking entdeckte in den 1970er Jahren ein Phänomen, das heute seinen Namen trägt: Die Hawking-Strahlung. Die Quantenmechanik sagt voraus, dass der leere Raum nicht komplett leer ist. Immer wieder entstehen dort spontan Teilchenpaare die sich unmittelbar danach gegenseitig vernichten und verschwinden. Passiert das allerdings in der Nähe des Ereignishorizontes eines schwarzen Lochs, passieren seltsame Dinge. Anstatt sich zu vernichten kann ein Teilchen des Paares hinter dem Horizont verschwinden. Das andere bleibt übrig und kann ins All entkommen. Im Endeffekt sieht das ganze genau so aus wie eine schwache Strahlung, die vom Ereignishorizonts eines schwarzen Loches ausgeht. Schwarze Löcher sind also nicht schwarz, sie “leuchten”.

Allerdings nur extrem schwach. So schwach, dass es so gut wie unmöglich ist, diese Strahlung mit unseren Messinstrumenten nachzuweisen. Wenn das was wir über schwarze Löcher, die Quantenmechanik, die Relativitätstheorie etc wissen richtig ist (und bis jetzt deutet nichts auf das Gegenteil hin), dann muss es diese Strahlung geben. Nur ihre Beobachtung liegt außerhalb unserer Reichweite. Schwarze Löcher lassen sich generell nur schwer im Detail studieren. Sie sind weit entfernt im All und sie sind eben – so gut wie – schwarz und quasi unsichtbar. Deswegen haben sich Wissenschaftler schon seit einiger Zeit überlegt, wie man die Eigenschaften dieser Objekte mit anderen Methoden im Labor studieren kann.

Dazu entwickelt man “Schwarze Loch Analogien”; also Systeme, die keine schwarzen Löcher sind, sich aber so verhalten. Anstatt Licht im Weltraum kann man zum Beispiel Schall in Flüssigkeiten betrachten. Je nach Flüssigkeit bewegt sich der Schall unterschiedlich schnell fort. Man kann nun aber auch die Flüssigkeit selbst bewegen – und überschreitet die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit die der lokalen Schallgeschwindigkeit, entsteht quasi ein “Ereignishorizont”, also eine Grenze, hinter die keine Schallwellen gelangen können. Das ist ungefähr so, als wolle ein Schwimmer in einem Fluss gegen die Strömung anschwimmen. Schafft er es nicht schneller als die Fließgeschwindigkeit zu schwimmen, kann er ihr nicht entkommen.

Eine besonders ausgeklügelte Variante so eines Analogie-Systems hat nun kürzlich Jeff Steinhauer vom Israel Institute of Technology in Haifa vorgestellt. Seine Arbeit baut auf früheren und ähnlichen Versuchen auf; Steinhauer behauptet aber zu deutlich beeindruckenderen Ergebnissen gekommen zu sein. Er will mit seiner Forschung (“Observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole”) die Existent der Hawking-Strahlung belegt haben.

Steinhauer hat Rubidium-Atome verwendet und sie extrem stark abgekühlt. Bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt ändert sich das Verhalten solcher Gruppen von Teilchen. Sie bilden ein Bose-Einstein-Kondensat: Das bedeutet, dass sich alle Teilchen im selben quantenmechanischen Zustand befinden und sich – vereinfacht gesagt – wie ein einziges Teilchen verhalten. In diesem Kondensat ist die Schallgeschwindigkeit sehr langsam und beträgt nur einen halben Millimeter pro Sekunde. Steinhauer hat nun ein paar Atome beschleunigt (auf etwa einen Millimeter pro Sekunde). Dadurch hat er einen “akustischen Ereignishorizont” erzeugt.

Der nächste Schritt ist ein wenig knifflig. Die Quantenfluktuationen, die im Vakuum des Alls für das spontane Auftauchen der Teilchenpaare sorgen, sollte es auch im Bose-Einstein-Kondensat geben. Hier entstehen aber keine Teilchen, sondern Phononen. Die kann man sich als “Quanten der Schallwellen” vorstellen, als Verdichtungen im Kondensat die sich wie ein Teilchen verhalten und bewegen (und deswegen auch “Quasiteilchen” genannt werden). Wenn sich die Phononen hinter dem akustischen Ereignishorizont gebildet haben, also dort, wo sich die Atome schneller als der Schall bewegt haben, waren sie gefangen und konnten aus dieser Region nicht mehr entkommen. Soweit passt die Analogie zum echten schwarzen Loch also – nur das es sich hier eher um ein “stilles Loch” handelt, aus dem kein Schall entkommen kann. Steinhauer hatte allerdings auch die Phononen außerhalb des Ereignishorizontes analysiert und dabei Paare gefunden, deren Eigenschaften darauf hindeuten, dass sie quantenmechanisch verschränkt sind. Es gab also anscheinend Paare von Phononen von denen sich eines hinter und das andere vor dem Ereignishorizont befand. Das eine wurde eingefangen, das andere konnte entkommen. Das stille Loch war also nicht komplett still: Die Quantenfluktuationen sorgten für eine geringe Menge an Phononen, also Schalwellen, die von seinem Ereignishorizont abgestrahlt werden.

Nicht jedes Loch ist auch ein toter Stern (Bild: USAF, gemeinfrei)

Nicht jedes Loch ist auch ein toter Stern (Bild: USAF, gemeinfrei)

Das klingt beeindruckend. Das ist auch beeindruckend. Das Experiment ist für sich genommen eine enorme Leistung und wissenschaftlich absolut wertvoll. Aber ob es wirklich ein “experimenteller Nachweis” der Hawking-Strahlung ist, bleibt vorerst fraglich. Es ist zum Beispiel noch nicht klar, ob die Phononen wirklich quantenmechanisch verschränkt waren. Es ist fraglich, ob der Zustand von Steinhauers Bose-Einstein-Kondensat tatsächlich echte Quantenfluktuationen erlaubt oder ob da irgendwelche anderen Effekte aufgetreten sind. Und es ist vor allem fraglich, wie sehr so ein analoges System geeignet ist, um daraus Aussagen über reale schwarze Löcher abzuleiten.

Ich gehe davon aus, dass andere Forscherinnern und Forscher in den nächsten Jahren das Experiment mit den “stillen Löchern” wiederholen und verbessern. Und das wir irgendwann wissen, ob das was dort am akustischen Ereignishorizont abläuft wirklich vergleichbar der Hawking-Strahlung ist. Aus der Untersuchung dieses Phänomen werden die Physiker mit Sicherheit viele gute Idee für die Analyse echter schwarzer Löcher bekommen. Aber ich bezweifle, ob man daraus wirklich verlässliche Aussagen über die schwarzen Löcher im Universum ableiten kann. Denn ein schwarzes Loch ist ein schwarzes Loch. Ein toter Stern ist kein Einstein-Bose-Kondensat im Labor. Ein akustischer Ereignishorizont ist keine absolute Grenze im Kosmos. Schwarze Löcher werden ihre Geheimnisse nicht so schnell aufgeben…

Kommentare (57)

  1. #1 mathias
    23. August 2016

    “Ein akustischer Ereignishorizont ist keine absolute Grenze im Kosmos”

    Eben. Und deswegen taucht hier auch kein Informationsparadoxon auf, was zur Zeit ja DAS Charakteristikum für reale schwarze Löcher zu sein scheint.

  2. #2 Mirko
    23. August 2016

    Ich verstehe zwar die Idee der Trennung der beiden virtuellen Teilchen, aber nicht, warum eines dann tatsächlich entfliehen kann. Muss es nicht eine wahnsinnig hohe Geschwindigkeit – nahe c – haben, um dem gravitativem Einfluss des SL knapp außerhalb des Eventhorizonts zu entkommen? Und um ‘Strahlung’ zu werden, darf es ja nicht nur eine stabile Kreisbahn erreichen, was nach meinem Verständnis auch schon eine Leistung wäre, aber einen Tick weniger Speed benötigen würde. Woher nimmt ein virtuelles Teilchen so viel Energie?

  3. #3 pane
    23. August 2016

    was ich nicht verstehe: Wenn so ein virtuelles Antiteilchen innerhalb des Ereignishorizont gerät und das zugehörige Teilchen außerhalb, dann entsteht Hawkingstrahlung. So weit, so gut. Aber es kann doch genauso gut umgekehrt sein, also dass das Teilchen innerhalb des Ereignishorizont gerät und das Antiteilchen außerhalb. Dann heben sich halt das Teilchen und das Antiteilchen des Nachbarn auf, und nichts ist mit der Strahlung.

  4. #4 Franz
    23. August 2016

    @Mirko
    Es kann auch ein masseloses Teilchen (Photon) sein und da reicht es aus, wenn es ‘knapp’ außerhalb liegt um zu entkommen.

    @pane
    Bei den meisten Erklärungen zur Hawking Strahlung wird erst von Teilen/Antiteilchen und dann von negativer/positiver Energie gesprochen. Diesen Übergang kann ich auch nicht nachvollziehen. Fakt ist, ein Teil fällt ins Loch und der andere entkommt, von außen sieht das so aus, als ob ein Teilchen abgestrahlt würde.

  5. #5 Captain E.
    23. August 2016

    Mit Sicherheit passiert es auch, dass ein Teilchen und ein Antiteilchen entstehen und beide im Schwarzen Loch verschwinden. Das ist dann aber keine Hawking-Strahlung. Welches der beiden Teilchen aber nun im Schwarzen Loch verschwindet, dürfte schnurzpiepegal sein – Hauptsache eines ist drinnen und das andere bleibt draußen und ist kein virtuelles Teilchen mehr. Die Frage der Lebensdauer dieses Teilchens ist dabei irrelevant.

  6. #6 schlappohr
    23. August 2016

    @pane

    “Dann heben sich halt das Teilchen und das Antiteilchen des Nachbarn auf, und nichts ist mit der Strahlung.”

    Die Trennung der Teilchenpaare ist wohl ein relativ seltenes Ergebnis, sodass ein “entkommenes” Antiteilchen nicht gleich einen Annihilationspartner in der Nachbarschaft findet. Und selbst wenn, würde das die Strahlungsenergie (um 50%?) reduzieren, aber nicht verhindern, weil die Hälfte eben keine Antiteilchen sind. (Um ehrlich zu sein: ich habe keine Ahnung, ob diese Erklärung sinnvoll ist)

  7. #7 Florian Freistetter
    23. August 2016

    @Mirko: “Muss es nicht eine wahnsinnig hohe Geschwindigkeit – nahe c – haben, um dem gravitativem Einfluss des SL knapp außerhalb des Eventhorizonts zu entkommen?”

    Nun ja, kleine Teilchen sind schon ziemlich fix…

    “Woher nimmt ein virtuelles Teilchen so viel Energie?”

    Vom Gravitationsfeld des schwarzen Loches. Deswegen verliert es durch die Hawking-Strahlung ja auch Energie und verschwindet irgendwann.

  8. #8 Captain E.
    23. August 2016

    @schlappohr:

    Ich glaube, der Trick besteht darin, dass beide Teilchen virtuell sind. Erst nach der Trennung wird aus dem verbliebenen ein echtes Teilchen, und wenn dieses ein passendes Antiteilchen findet, gibt es Annihilationsstrahlung.

  9. #9 Till
    Dresden
    23. August 2016

    Wenn es tatsächlich so wäre, dass die beiden Teilchen (das im schwarzen Loch und das, das entkommt) verschränkt sind, wäre das nicht eine Möglichkeit Informationen aus einem schwarzen Loch heraus zu übertragen?

    Prinzipiell wird bei Verschränkungen die Information ja überlichtschnell übertragen, könnte so also dem Ereignishorizont entkommen.

  10. #10 Captain E.
    23. August 2016

    @Till:

    Soweit ich weiß, wird Information niemals überlichtschnell übertragen. Insofern ist die Verschränkung auch keine Information und man kann mit ihr auch keine Informationen übertragen.

  11. #11 schlappohr
    23. August 2016

    “Prinzipiell wird bei Verschränkungen die Information ja überlichtschnell übertragen”

    Nein, eben nicht. Sonst könnte man auch mit verschränkten Photonen überlichtschnell kommunizieren. Man weiß nur, dass z.B. verschränkte Teilchen beim Verlassen des Überlagerungszustandes in gegensätzliche Spinzustände fallen, aber man kann nicht beeinflussen, in welche. Sie Teilchen sind korreliert, aber das erlaubt keine Informationsübertragung. Ich glaube Martin Bäker hat das mal in einem Artikel erklärt.

  12. #12 Alderamin
    23. August 2016

    @Captain E., Till

    Genau: zwar weiß man beim Messen des zufälligne Zustands eines verschränkten Teilchens im Nachhinein etwas über den Zustand seines Partnerteilchens, man kann aber nicht im Vorhinein ein Bit so mit den Teilchen codieren, dass man willentlich beeinflussen könnte, wie der gemessene Zustand aussieht.

    Wenn man beeinflussen könnte, was bei der Messung des einen Teilchens heraus käme, dann wäre beim anderen Teilchen der Zustand erzwungen und man hätte Information übertragen. Aber genau das kann man nicht, das Messergebnis ist stets zufällig.

  13. #13 Mirko
    23. August 2016

    Insgesamt schon ziemlich paradox. Das SL verpflüchtigt sich, weil Material dazu kommt. Eigentlich geht doch dem Vakuum drum herum etwas verloren (was genauso paradox klingt).
    Und nach ART steht doch die Zeit im SL still, so dass eigentlich gar nichts mehr ‘passieren’ kann.
    Sind wir hier nicht schon an einer Stelle, wo ART und Quantentheorie sich widersprechen und daher auch diese Strahlung eine gewagte Vorhersage ist? Ok, Hawking wird es besser beurteilen können.

  14. #14 schlappohr
    23. August 2016

    Das Problem geht noch weiter: Um den Spin des “Empfängerteilchens” zu ermitteln, muss man eine Messung machen und zerstört damit schon die Überlagerung. Man kann im Nachhinein nicht mehr feststellen, ob man das Teilchen selbst aus der Transposition geholt hat, oder ob es vorher schon draußen war.
    Eine derartige Hinterlistigkeit bringen normalerweise nur intelligente Lebewesen zustande.

  15. #15 Alex Knochel
    Heidelberg
    23. August 2016

    @Mirko,

    Zu sagen, in SL steht die Zeit still und nichts passiert, ist zu vereinfacht. Hier kommt es komplett darauf an, welche Zeitkoordinaten man betrachtet – für die eines außen schwebenden Beobachters ist das so, für ein hineinfallendes Bezugssystem geht die Zeit aber weiter, man passiert den Horizont bis man an der Singularität ankommt, und die Zeit läuft derweil für den einfallenden Beobachter normal weiter.

  16. #16 Alex Knochel
    Heidelberg
    23. August 2016

    @schlappohr

    Genau. Wenn ich das richtig verstehe, hat Steinhauer daher ja auch eine simultane Messung auf beiden Seiten des Horizonts seines “stummen Lochs” machen müssen, um Evidenz für die Verschränkung zu bekommen. Aus Steinhauers Abstract: “Correlations are observed between the Hawking particles outside the black hole and the partner particles inside.” Prinzipiell kann man ja eine Messung entwerfen, die ein (Pseudo)teilchenpaar als Ganzes erfasst. Von einem Teilchen allein kann man nichts aussagen…

  17. #17 schlappohr
    23. August 2016

    @Alex Knochel:
    “…simultane Messung ”

    Ist das nicht auch das Prinzip der Quantencryptographie? Man misst eine Reihe korrelierter entfernter Photonenpaare und erhält damit an beiden Enden identische gleichverteilte Zufallsfolgen, die garantiert sonst niemand kennt und die man daher als Schlüssel verwenden kann. So habe ich es zumindest verstanden.

  18. #18 walter
    23. August 2016

    Faszinierend (copyright Mr. Spock). Aber kann man mittels der im Experiment verwendeten Schallgeschwindigkeit überhaupt die enorme Gravitation eines schwarzen Lochs halbwegs real simulieren? Das will mir nicht in den Kopf, weil es eben so unglaubliche Unterschiede sind.

    Außerdem gibt es auf der Erde sowieso schwarze Löcher 🙂 Die könnte man ja in Zukunft für solche Experimente verwenden……

    https://www.youtube.com/watch?v=byPWgJIQHrA

    Ich hab diese Doku neulich im TV gesehen und bin laut schreiend zur Tür rausgelaufen. Solch UNBESCHREIBLICHEN Schwachsinn hab ich noch nie gesehen.

  19. #19 Florian Freistetter
    23. August 2016

    @Walter: “Aber kann man mittels der im Experiment verwendeten Schallgeschwindigkeit überhaupt die enorme Gravitation eines schwarzen Lochs halbwegs real simulieren?”

    Es geht nicht um die Simulation eines schwarzes Lochs. Das kann man mit Computerprogrammen machen. Es geht um analoge Systeme, die ein ähnliches Verhalten zeigen. Hier eben ein Ereignishorizont, aus dem keine Schallwellen dringen können, so wie kein Licht aus einem schwarzen Loch dringen kann.

  20. #20 tomtoo
    23. August 2016

    leicht ot:
    also nur 2 dimensional:
    aber ich stelle mir ein photon(wellenpaket) (exact tangenitial) zum ereignishorizont (
    klar gilt nur für dieses teilchen) vor. was passiert mit diesem photon ? muss sich ja teilen in ein antiphoton und.ein phothon.

  21. #21 Alderamin
    23. August 2016

    @tomtoo

    Photonen haben keine Antiteilchen. Ein tangential am Ereignishorizont vorbei schrammendses Photon fällt unweigerlich ins Schwarze Loch. Um überhaupt stehen zu bleiben, muss es radial nach außen unterwegs sein. Normalerweise rotiert das schwarze Loch und zerrt das Photon dann (mit der gesamten Raumzeit) im Kreis herum.

    Denke Dir einen Wasserstrudel, der in einen Abfluss fließt. Ein Photon ist am Ereignishorizont relativ zum Wasser genau so schnell, wie das Wasser nach innen läuft. Es kann also nur stehenbleiben, wenn es nach außen gegen den Strom schwimmt.

  22. #22 Thomas
    23. August 2016

    Ein Gedankenexperiment: Durch Drehung eines Lasers auf der Erde könnte ein Laserpunkt auf dem Mond über eine bestimmte Strecke doch mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt werden -oder?. Zwischen den beiden Endpunkten der Strecke fände dabei aber nie eine Informationsübertragung statt.

  23. #23 Mirko
    23. August 2016

    @Thomas: Ja und Ja. Die Bewegung des Punktes kann schneller als c sein. Das gibt es doch zB durch Pulsare (jedenfalls diese kosmischen Leuchttürme, sind doch Pulsare?) in natura in noch viel extremerem Ausmaß (also innerhalb zB 1 Sekunde wandert der Lichtpunkt durch die ganze Galaxie und trifft dann auch innerhalb 1s auf 2 gleich weit entfernte Ziele in gegensätzlicher Ruchtung). Aber die 2 ‘Ziele’ können deshalb nicht miteinander Information austauschen.

  24. #24 tomtoo
    23. August 2016

    @thomas
    das ist gut ! stell dir das photon vor. nicht DICH mit deinem laserpointer.
    also das photon will mit dem anderen reden ?
    kann aber nur mit lichtgeschwindigkeit ?

  25. #25 Franz
    24. August 2016

    @Alderamin
    Photonen sind doch ihre eigenen Antiteilchen und bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit, d.h. wenn knapp am Rand des schwarzen Lochs eine Photon/Antiphoton entsteht und das eine reinfällt, dann entkommt das andere, da es ja mit c unterwegs ist und per Definition entkommen kann (der Ereignishorizont IST ja genau die Grenze).

  26. #26 Franz
    24. August 2016

    @Thomas
    Ein Gedankenexperiment: Durch Drehung eines Lasers auf der Erde könnte ein Laserpunkt auf dem Mond über eine bestimmte Strecke doch mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt werden -oder?.
    Nein. Du würdest eine Spirale erzeugen (von oben betrachtet). Photonen bewegen sich geradlinig und mit Lichtgeschwindigkeit, d.h. wenn du dich drehst änderst du die Abstrahlrichtung und damit veränderst du die Flugrichtung der einzelnen Photonen. Bei genügend hoher Drehzahl würde der Punkt am Mond sich auch mit c bewegen.
    Wäre der Punkt überlichtschnell, dann könnte jemand am Mond mitzählen wie oft der Punkt vorbeikommt und mit Hilfe einer kleinen Modulation der Drehzahl Informationen übermitteln. Geht nicht, leider 🙁

  27. #27 max
    24. August 2016

    Jetzt mal abgesehen davon das Photonen ihre eigenen Antiteilchen sind, wenn ein Teilchen und ein Antiteilchen aufeinander treffen zerstrahlen sie in einer Anihilationsreaktion und werden zu Energie (welche Form von Energie weiss ich jetzt auch nicht) aus der sich wieder neue Teilchen bilden können, somit also doch Strahlung und nicht wie manche meiner Vorredner meinen einfach gar nichts

  28. #28 Alderamin
    24. August 2016

    @Franz

    Photonen sind doch ihre eigenen Antiteilchen und bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit, d.h. wenn knapp am Rand des schwarzen Lochs eine Photon/Antiphoton entsteht und das eine reinfällt, dann entkommt das andere, da es ja mit c unterwegs ist und per Definition entkommen kann (der Ereignishorizont IST ja genau die Grenze).

    Das ist das erstemal, dass ich das höre. Hast Du dafür einen Beleg?

    Nein. Du würdest eine Spirale erzeugen (von oben betrachtet). Photonen bewegen sich geradlinig und mit Lichtgeschwindigkeit, d.h. wenn du dich drehst änderst du die Abstrahlrichtung und damit veränderst du die Flugrichtung der einzelnen Photonen. Bei genügend hoher Drehzahl würde der Punkt am Mond sich auch mit c bewegen.

    Doch. Wenn Du einen Laserstrahl zum Mond sendest und Dich dann in einer halben Sekunde umdrehst, dann erreicht der Laserpunkt die Bahn des Mondes auf der gegenüberligenden Seite eine halbe Sekunde später. Er hat dann den Halbkreis von Pi*384000 km in einer halben Sekunde zurückgelegt und war damit überlichtschnell. Das funktioniert für jeden Radius (das Beispiel eines Pulsars wurde oben schon genannt), man kann also auch in einer halben Sekunde den Laserstrahl um die halbe Milchstraße laufen lassen. Information wird dabei aber nur von der Quelle des Lichts zum jeweiligen Zielort übermittelt, nicht zwischen den Zielorten, deswegen ist dies kein Widerspruch zur Relativitätstheorie.

    Wäre der Punkt überlichtschnell, dann könnte jemand am Mond mitzählen wie oft der Punkt vorbeikommt und mit Hilfe einer kleinen Modulation der Drehzahl Informationen übermitteln. Geht nicht, leider

    Wenn Du versuchst, durch Modulation der Drehzahl Information zum Mond zu senden, dann kommt die Information der erhöhten Drehzahl erst nach der Lichtlaufzeit von der Lichtquelle zum Mond dort an (oder beim Pulsar nach zehntausenden Jahren). Deshalb wird keine Information überlichtschnell übertragen, und sowieso nicht zwischen verschiedenen Zielorten.

  29. #29 Thomas
    24. August 2016

    @Franz: Vielen Dank!
    Wie es zu einer Spirale kommt, habe ich aber noch nicht verstanden, vielleicht habe ich mein Beispiel oder den Begriff “Drehung” schlecht gewählt. Anders formuliert: Ich habe einen Laser, den ich in einer Ebene um einen bestimmten Winkel schwenken kann. Dann habe ich eine Riesenleinwand in einer Riesenentfernung. Durch das Schwenken des Lasers soll sich der Punkt auf der Leinwand auf einer geraden Linie bewegen. Kann die von dem Punkt auf der Leinwand zurückgelegte Strecke dann nie größer als die Strecke sein, die ein vom Anfangspunkt entlang der Linie (Leinwandebene) abgeschickter Lichtimpuls in derselben Zeit zurücklegen würde? Der auf der Leinwand “wandernde” Auftreffpunkt ist ja selbst kein Teilchen. Eine Informationsübermittlung zwischen Anfangs- und Endpunkt auf der Leinwand kann damit natürlich nicht verbunden werden, weil der Auftreffpunkt von jemandem, der sich am Anfangspunkt der Strecke befindet, nicht mit einer Information für eine Person am Endpunkt der Strecke versehen werden kann.
    Unterliege ich da als Physiklaie einem Denkfehler?

  30. #30 Captain E.
    24. August 2016

    @Thomas:

    Wenn die Frage lautet, ob sich dieser Lichtpunkt mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen kann, so wurde sie bereits mit einem “Ja!” beantwortet.

  31. #31 Captain E.
    24. August 2016

    @Alderamin:

    Laienhaft gesehen erscheint die Annahme, dass das Photon sein eigenes Antiteilchen ist, zumindest plausibel. Wenn sich zwei Photonen treffen, taucht etwas ganz anderes auf. Allerdings reicht natürlich auch ein einziges für diese Paarbildung aus.

    Wikipedia ist da nur bedingt hilfreich (https://de.wikipedia.org/wiki/Antiteilchen):

    “Teilchen, deren ladungsartige Quantenzahlen sämtlich Null sind, sind ihre eigenen Antiteilchen.”

    Trifft das auf Photonen zu?

  32. #32 Joker
    24. August 2016

    @ Thomas ; @ Franz

    “Gedankenexperiment”

    Es ist so wie @Thomas (und jetzt auch @Alderamin) sagt. Der Punkt, der sich in dem Szenario anscheinend auf der Mondoberfläche bewegt, ist ja kein physikalisches Objekt. Es sind jeweils unterschiedliche, reflektierte Photonen des Lasers, die wir in unserer Wahrnehmung zu einem Punkt integrieren. Sowas kann sich auch kontinuierlich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen.

    Ein ähnliches Phänomen könnte man, aus geeigneter Perspektive, z.B. mit Schnittpunkten von sich überkreuzenden Gegenständen beobachten, wenn diese sich mit fast Lichtgeschwindigkeit zueinander verschieben. Das müssten nicht einmal Lichtschwerter sein, Holz würde reichen.

  33. #33 Alderamin
    24. August 2016

    @Captain E.

    Wenn sich zwei Photonen treffen, taucht etwas ganz anderes auf.

    Was denn? Zwei Photonen können sich doch einfach und ohne Effekt (höchstens Streuung) passieren, es sind doch nur elektromagnetische Wellen. Siehe auch hier und folgende.

  34. #34 Captain E.
    24. August 2016

    @Alderamin:

    Da reden wir gerade aneinander vorbei, und es zeigt sich wohl auch mal wieder, dass unser Verstand die Quantenwelt nicht so recht zu erfassen vermag. Was bedeutet es also, wenn sich Photonen “treffen”? Wie nahe müssen sie sich in ihrem Aspekt als Teilchen kommen, um sich gegenseitig auszulöschen?

    Fakt ist aber doch wohl folgendes: Es wurde experimentell bestätigt, dass einzelne energiereiche Photonen eine Paarbildung auslösen können. Daselbe kann passieren unter Mitwirkung von zwei Photonen. Die ursprünglich beobachteten Photonen sind danach aber nicht mehr da, auch wenn natürlich der Paarbildung früher oder später eine Annihilation folgt, die dann wieder Photonen abstrahlt.

    Und auf jeden Fall gibt es Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind, wenn sie die von mir erwähnten Eigenschaften besitzen. Ich weiß aber leider eben nicht, ob das für Photonen zutrifft.

  35. #35 Ysrthgrathe
    24. August 2016

    @Alderamin @Captain E. @Franz
    Doch, das Photon ist sein eigenes Anti-Teilchen. Wenn mich nicht alles täuscht, ist das das einzige Teilchen mit dieser Eigenschaft. (Bis auf Gravitonen und sonstiges hypothetisches Zeug.)

    Wenn man bei Energiebereichen ist, bei denen rein quantenfeldtheoretische Phänomene eine Rolle spielen, kann man auch durchaus Photon-Photon-Wechselwirkungen beobachten.
    Wobei dann anschaulich eigentlich nicht die Photonen miteinander wechselwirken, sondern virtuelle Fermion-Antifermion-Paare usw.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Two-photon_physics

    Bei völlig isolierten Photonen kann man deswegen nie Paarbildung beobachten (also den Zerfall in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar, zum Beispiel eben auch in zwei Photonen), da sich Photonen immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
    Das kann dann von der Energie-Impuls-Erhaltung her prinzipiell nicht hinkommen.

    Ein einzelnes Photon braucht also immer einen Partner, zum Beispiel einen Atomkern, der beim “Zerfall” des Photons den passenden Impuls übernimmt.
    Dieser Partner kann aber durchaus auch ein anderes Photon sein und zwei Photonen können sich zu vier Photonen “annihilieren”. (Eigentlich zerfallen beide Photonen jeweils in ein Fermion-Antifermion-Paar und die Fermionen annihilieren sich dann, aber da kann man sich über die Semantik streiten.)

    Aus den genannten Gründen klappt es mit virtuellen Photon-Antiphoton-Paaren am Ereignishorizont auch genau wie mit anderen Vakuumfluktuationen.
    (Wobei meiner Meinung nach diese anschauliche Erklärung sowieso völlig falsch ist. Vakuumfluktuation mit “plötzlich entstehenden virtuelle Teilchen-Antiteilchenpaaren” zu “übersetzen” ist einfach Unsinn. Außerdem muss das Antiteilchen, das ins schwarze Loch fällt, negative(!) Energie besitzen, damit das Bild passt.
    Das ist aber gerade keine normale Eigenschaft von Antiteilchen, die haben ganz normal positive Energie.

    Na ja, ein besseres Bild habe ich aber auch nicht.
    Hawking-Strahlung entsteht eben aus dem “Zusammenspiel” von ART und QFT, da hört es dann leider mit der Anschaulichkeit völlig auf.)

  36. #36 Bullet
    24. August 2016

    @Captain E:

    “Teilchen, deren ladungsartige Quantenzahlen sämtlich Null sind, sind ihre eigenen Antiteilchen.”
    Trifft das auf Photonen zu?

    Ja.
    Ich hab jetzt grad noch gezuckt, ob da nicht auch noch der Spin reinzieht (der beim Photon aber 1 ist). Aber das ist offenbar nicht dieselbe Klasse.

  37. #37 Niels
    24. August 2016

    Hm, obiges war von mir.
    Mein Browser hatte irgendwelche komischen Einstellungen gespeichert.

  38. #38 Alderamin
    24. August 2016

    @Captain E.

    Ist wohl Definitionssache. In dem Link von mir oben steht, dass Annihilisation was ganz anderes sei, als das, was zwei Photonen zu Stande bringen (eigentlich ist Paarbildung ja genau das Gegenteil). In der englischen Wikipedia steht wiederum, man könne das Photon als sein eigenes Antiteilchen betrachten (ergo: man muss aber nicht).

    Ich sehe das allerdings auch eher, wie in dem Link in #33. Z.B. werden die Teilchen der Dunklen Materie als solche betrachtet, die möglicherweise ihre eigenen Antiteilchen sind. Wenn zwei von denen sich begegnen, annihilieren sie unvermeidlicherweise, ebenso wie Protonen und Antiprotonen das tun würden. Aber Photonen bilden nur unter bestimmten Voraussetzungen (eine davon ist hohe Energie; ich denke, Impuls und Frequenz müssen auch passen) Teilchen, ansonsten tauschen sie bestenfalls bei der Streuung ein wenig Energie aus, so wie Teilchen das bei Stößen tun, was mit Annihilisation wenig zu tun hat.

    Also, um nochmal auf Franz’ Aussage zurück zu kommen, es ist sicher nicht völlig ausgeschlossen, dass ein Photon am Ereignishorizont eine Paarbildung auslöst und eines der Teilchen in das Schwarze Loch fällt, während das andere es nicht tut. Aber ein gewöhnliches Lichtphoton hat dazu zu wenig Energie, und außerdem hat die Hawking-Strahlung mit virtuellen Partikeln zu tun, die erst nach der Trennung reell werden, nicht mit Partikeln, die von vorneherein reell sind; ich denke, der Hawking-Mechanismus funktioniert mit reellen Partikeln nicht, die können dem Schwarzen Loch keine Masse entziehnen.

    Und dass ein Photon, wie Franz es schreibt, ohne besonderen Anlass in 2 zerfallen kann, dafür hätte ich gerne einen Beleg (kann ja sein, dass es das gibt, aber dazu ist mir nichts bekannt).

  39. #39 Alderamin
    24. August 2016

    @Niels

    Danke, unsere Posts haben sich überschnitten.

    Meinetwegen seien Photonen ihre eigenen Antiteilchen, aber wie Du auch schreibst, kann ein einzelnes reelles Photon nicht einfach grundlos in ein Photon und ein Antiphoton (was auch ein Photon wäre) zerfallen. Genau darum ging’s in #20, mit dem dieser Teilfaden begonnen hatte.

  40. #40 Bullet
    24. August 2016

    Niels? “Ysrthgrathe”? Im Ernst? Ich muß mich schon mit Thais rumschlagen… das reicht mir eigentlich.

  41. #41 Captain E.
    24. August 2016

    @Ysrthgrathe:

    Ich glaube, bei der “negativen Energie” vertust du dich. Egal was da hineinfällt (und das wird beileibe nicht der Standardfall sein!), hat doch immer positive Energie.

  42. #42 Niels
    24. August 2016

    @Bullet @Captain E

    “Teilchen, deren ladungsartige Quantenzahlen sämtlich Null sind, sind ihre eigenen Antiteilchen.”
    […]
    Ich hab jetzt grad noch gezuckt, ob da nicht auch noch der Spin reinzieht

    Na ja, nichts genaues weiß man nicht bzw. vielleicht hängt es irgendwie mit der Spinkomponente in Impulsrichtung (Helizität) zusammen.
    Neutrinos haben (im Standardmodell) immer linkshändige Helizität, Antineutrinos immer rechtshändige Helizität.

    Das ist bisher noch nicht erklärbar.
    Falls es keine anderen Unterschiede gibt, wäre das Neutrino ein Majorana-Fermion und damit ebenfalls sein eigenes Antiteilchen. Ladung trägt es ja auch nicht.
    Um das herauszufinden laufen gerade mehrere Experimente.

    @Captain E.

    Ich glaube, bei der “negativen Energie” vertust du dich. Egal was da hineinfällt (und das wird beileibe nicht der Standardfall sein!), hat doch immer positive Energie.

    Na ja, wenn etwas mit positiver Energie hinein fällt nimmt aber die Energie des schwarzen Loches zu und eben gerade nicht ab. Die Abnahme ist aber doch der Witz bei der Hawking-Strahlung.

    Ich hab gerade auch noch mal kurz in die Wiki geschaut.
    Dort findet man:

    Derartige Vakuumfluktuationen existieren auch in der unmittelbaren Nähe des Ereignishorizontes Schwarzer Löcher.
    Fällt ein Teilchen (oder Antiteilchen) in das Schwarze Loch, so werden die beiden Partner durch den Ereignishorizont getrennt. Der in das Schwarze Loch fallende Partner trägt negative Energie, während der zweite Partner, der als reales Teilchen (oder Antiteilchen) in den freien Raum entkommt, positive Energie trägt.
    „Nach der Einsteinschen Gleichung E=mc² ist die Energie der Masse proportional. Fließt negative Energie in das Schwarze Loch, verringert sich infolgedessen seine Masse“.

  43. #43 Thomas
    Hamburg
    24. August 2016

    Müsste es sich eigentlich nicht ausgleichen? Mal fällt ein Teilchen mit negativer Energie ins SL, mal eins mit positiver? Vakuumfluktuationen entstehen doch zufällig und nicht nach einer berechenbaren Gesetzmässigkeit wie z.B. “Das Teilchen mit negativer Energie ist immer näher am SL als das positive”… Wenn es die Hawking-Strahlung gibt, müsste das aber ja genau so ein…

  44. #44 Reggid
    24. August 2016

    ich denke, dass die ganze diskussion, wie das jetzt genau mit der “negativen energie” der “virtuellen teilchen” usw…. gänzlich umsonst ist. ebenso dieser angebliche “experimentelle nachweis”.

    der punkt ist nämlich, dass Hawking strahlung nichts mit virtuellen teilchen zu tun hat. es gibt keine rechnung dazu auf virtuellen teilchen beruht (die ohnehin nur rechengrößen in einer bestimmten näherung wären), kein modell das diese behauptung stützt. nichts. es ist einfach ein märchen welches sich Hawking ausgedacht hat (er selbst nennt es “heuristische erklärung”), damit er etwas hat das cool und aufregend und leicht verständlich klingt, das er der breiten öffentlichkeit erzählen kann und was das tatsächliche resultat irgendwie veranschaulichen soll.

    die wirklich physik dahinter hat damit halt leider nichts zu tun. daher braucht man sich nicht grämen wenn man das mit den “virtuellen teilchen” und der “negativen energie” nicht versteht. es gibt hierbei sowieso nichts zu verstehen. nur eine geschichte, die nett klingt aber sonst keine grundlage hat.

    zum nachlesen hierzu z.B. hier: http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/BlackHoles/hawking.html

    wer es nicht glaubt kann ja z.B. diese beiden artikel zur Hawking strahlung mal nach “virtual particles” durchsuchen (und nicht fündig werden)

    http://arxiv.org/pdf/gr-qc/9912119v2.pdf
    https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0010055.pdf

  45. #45 Niels
    24. August 2016

    @Thomas

    Müsste es sich eigentlich nicht ausgleichen?

    Schlimmer noch, dann fliegen auf einmal Teilchen mit negativer Energie und damit abstoßender Gravitationswirkung durchs Universum. 😉
    (Wobei man diese dann “ernten” könnte.
    Exotische Materie mit negativer Energiedichte ist dagegen höchstwahrscheinlich eine Grundvoraussetzung für die Konstruktion von Zeitmaschinen, Wurmlochern und Warpantriebe.
    Wäre also eigentlich doch ganz cool, wenn es so funktionieren würde.)

    Ne, ernsthaft:
    Wie Reggid schreibt und ich in #35 angedeutet habe, ist diese Veranschaulichung nicht einfach nur eine viel zu starke Vereinfachung, sondern eben schlicht falsch.
    Deswegen macht es wenig Sinn, daran Gehirnschmalz zu vergeuden.

    Die echte Mathematik, die dahintersteckt, ist aber leider so kompliziert, dass meines Wissens noch niemand eine halbwegs richtige Veranschaulichung entwickeln konnte.
    Weil das echt unbefriedigend ist, bleibt man in populärwissenschaftlichen Darstellungen leider einfach bei der falschen Darstellung.
    Das ist meiner Meinung nach aber schlechter als gar keine Erklärung anzubieten.

  46. #46 tomtoo
    24. August 2016
  47. #47 tomtoo
    25. August 2016

    @niels

    sry frage:
    die echte mathematik ?
    gibts sowas ?
    also wo ist die grenze zwichen mathe und physik ?
    mathe ist cool und physik auch oder ?
    die grenze sind doch aber die beobachtbaren phänohmene oder?

  48. #48 Captain E.
    25. August 2016

    @tomtoo:

    Nun, der Hauptunterschied zwischen Physik und Mathematik dürfte der sein, dass es in der Mathematik alles gibt, was sich ein Mensch hat vorstellen können. So beschäftigt sich die Mathematik mit Stetigkeiten und Unendlichkeiten. Die Physik sieht dagegen Anzeichen dafür, dass im Universum nichts unendlich und nicht einmal irgendetwas stetig ist. Die Quantelung der Energie könnte es auch für Raum und Zeit geben.

  49. #49 Franz
    25. August 2016

    @Alderamin, Captain, Joker, Thomas
    Nochmal zum Laserpunkt am Mond. Ich nehme mal an ich sende kleine Photonenpakete während ich mich drehe. Meine kleine Winkelgeschwindigkeit auf der Erde wird durch die Entfernung sehr hoch und die Pakete treffen mit einer Distanz auf den Mond die eine Radialgeschwindigkeit größer c ergeben würden. Ihr habt recht, der Punkt würde sich mit v größer c bewegen (Mist). Andererseits, wenn ich das Ganze von oben betrachte, dann sehe ich Pakete die sich mit c geradlinig bewegen, aber das nächste Paket ist leicht versetzt und dahinter. Die Summe der Pakete macht also eine Drehung, folglich müssten die Pakete eine Spirale formen, etwa so wie bei einem Rasensprenger.

    @Niels
    Weil das echt unbefriedigend ist, bleibt man in populärwissenschaftlichen Darstellungen leider einfach bei der falschen Darstellung
    Das war auch immer mein Problem wenn ich versuchte Hawking Strahlung zu verstehen. Dieser ‘seltsame’ Übergang von Teilchen/Antiteilchen auf positive/negative Energie der ist nie wirklich gut erklärt. Jetzt weiß ich warum 🙂
    Manches Gerücht hält sich eben, so wie die Elektronen die um den Atomkern “kreisen”.

  50. #50 Captain E.
    25. August 2016

    @Franz:

    Ich würde vielleicht lieber das Beispiel “Gartenschlauch” bemühen. Du verspritzt das Wasser, und wenn du deinen Schlauch schwenkst, wandert der Bereich, wo das Wasser auf den Boden auftrifft. Jedes einzelne Molekül hat aber zuvor deine Düse passiert.

    Niels mag recht damit haben, dass die Vorstellung mit den virtuellen Teilchenpaaren am Ereignishorizont uns alle überfordert. Damit ist aber keineswegs gesagt, dass Teilchen mit negativer Energie in dem Sinne entstehen, dass sie Antigravitation vermitteln. Nach allem, was wissen, gibt bei der Gravitation keinerlei Unterschied zwischen Materie und Antimaterie.

  51. #51 Alderamin
    25. August 2016

    @Franz

    folglich müssten die Pakete eine Spirale formen, etwa so wie bei einem Rasensprenger.

    Das ist richtig, aber daraus abzuleiten, dass der Außenrand der Spirale (wenn man diese beim Radius der Mondbahn abschnitte) nur mit Lichtgeschwindigkeit rotieren könne, war nicht korrekt, und gerade darum ging es ja…

  52. #52 Alderamin
    25. August 2016

    @CaptainE.

    Niels mag recht damit haben, dass die Vorstellung mit den virtuellen Teilchenpaaren am Ereignishorizont uns alle überfordert. Damit ist aber keineswegs gesagt, dass Teilchen mit negativer Energie in dem Sinne entstehen, dass sie Antigravitation vermitteln. Nach allem, was wissen, gibt bei der Gravitation keinerlei Unterschied zwischen Materie und Antimaterie.

    Das Argument von Hawking in der populärwissenschaftlichen Darstellung ist ja auch nicht, dass immer nur das Antiteilchen hinein fiele und dieses negative Energie hätte. Sondern dass sich die virtuellen Teilchen Energie aus dem Vakuum borgen (vermöge der Unschärferelation, Energieunschärfe für kurze Zeiten), und wenn dann einem virtuellen Teilchen sein Partner verloren geht, dann wird es reell, kann nicht mehr annihilieren, und somit die Energiebilanz nicht mehr ausgleichen. Damit die Energiebilanz insgesamt ausgeglichen ist, muss dem verloren gegangenen Teilchen eine negative Energie zugeschrieben werden. Das gilt unabhängig davon, ob es ein Antiteilchen oder ein Teilchen ist.

  53. #53 Captain E.
    25. August 2016

    @Alderamin:

    Wie üblich hast du das viel besser ausgedrückt als es mir möglich ist. Trotzdem noch einmal mit meinen eigenen Worten:

    1. Es gibt virtuelle Teilchen, die aus dem Vakuum heraus entstehen und vergehen.

    2. In den meisten Fällen werden die Teilchen wieder zerfallen, bevor sie in das Schwarze Loch fallen können, und ich meine auch nur die, die sich in der Nähe eines Ereignishorizonts bilden.

    3. Von den verbliebenen werden viele komplett im Schwarzen Loch verschwinden.

    4. Bei einer gewissen Menge an Paarbildungen verschwindet eines der Teilchen im Schwarzen Loch, das andere aber nicht. Nur diese Fälle können als Quelle der Hawkingstrahlung herangezogen werden!

    5. Welches der beiden Teilchen im Schwarzen Loch verschwindet, ist dabei völlig ohne Bedeutung. Der beschriebene Effekt tritt in beiden Fällen ein.

  54. #54 Thomas
    Hamburg
    25. August 2016

    @Alderamin:
    “…muss dem verloren gegangenen Teilchen eine negative Energie zugeschrieben…”

    Ist denn aber aus Sicht des Teilchens – was nun im SL sitzt – nicht ebenso sein Partner verloren gegangen? Dadurch wäre das Teilchen doch auch berechtigt zu sagen:” Hey, ich bin reel geworden, yippie, das Universum draußen muss jetzt weniger Energie haben”…

  55. #55 Alderamin
    25. August 2016

    @Thomas

    Ich denk folgendes: Der Ereignishorizont ist ja vom Beobachter abhängig, und die ganze Betrachtung wird aus Sicht eines ruhenden, unendlich weit entfernten Beobachters geführt. Der sieht neben dem Schwarzen Loch ein neues Teilchen mit Masse erscheinen, also muss dem Schwarzen Loch Masse verloren gegangen sein, sonst stimmt die Summe nicht mehr.

    Für einen Beobachter auf Höhe der Teilchen wird der Ereignishorizont weiter innen liegen (weil er nicht in Ruhe verharren kann) und aus seiner Sicht wird dort dasselbe passieren, ein Teilchen verschwindet hinter dem Ereignishorizont, das andere bleibt außerhalb. Und egal, wie tief Du den Beobachter setzt, er wird immer einen tiefer liegenden Ereinishorizont sehen und den gleichen Effekt, wie der unendlich ferne Beobachter, nur weiter innen.

  56. #56 Thomas
    Hamburg
    25. August 2016

    Okay, also kann es in diesem Sinne keinen hinter dem Ereignishorizont sitzenden Beoabachter geben, der mein Paradox in #54 auslöst. Verstanden. Danke dir für die Erklärung.

  57. #57 Martin Anneken
    Rheine
    29. August 2018

    Florian Freistätter
    Ein Zitat am Anfang deines Beitrags:
    “Derzeit kennen wir keine Kraft oder keinen Effekt der diesen Kollaps aufhalten kann – was nicht heißt das es so eine Kraft nicht geben kann und ein schwarzes Loch tatsächlich ein singulärer Punkt ist.”
    Der letzte Satzteil müsste doch heißen:
    “… tatsächlich kein singulärer Punkt ist.”
    Diese Aussage wäre m.M.n. auch zutreffenter, da dann die Rotations-Formel F = m*w² *r = m*v² / r auch einen Sinn ergeben würde in Bezug zu rotierenden SL.