Das Problem, das Hawking formuliert hat, ist wie folgt: Während der Bildung und des anschließenden Zerfalls von Schwarzen Löchern gehen Informationen über ihre detaillierte Zusammensetzung verloren.

Infrarotverschiebung

Betrachten Sie elektromagnetische Wellen, um die Essenz des Paradoxons zu erklären. Sie kommen in verschiedenen Frequenzen und die niedrigsten Frequenzen entsprechen Radiowellen. Wenn Sie die Frequenz erhöhen, handelt es sich bereits um Infrarotstrahlung. Dann erhalten wir die Wellen aus dem sichtbaren (Licht-) Spektrum. Weiter jenseits des sichtbaren Spektrums gibt es ultraviolette Strahlung, Röntgenwellen und schließlich Gammastrahlung.

Wenn wir eine Strahlungsquelle in einem bestimmten Abstand von einem massiven Weltraumobjekt platzieren und das von ihm emittierte Licht in großer Entfernung vom Schwerpunkt überwachen, sehen wir die sogenannte Infrarotverschiebung. Die beobachtete Strahlungsfrequenz weit vom Gravitationskörper entfernt ist geringfügig niedriger als die in seiner Umgebung emittierte. Dies liegt daran, dass die Energie von Photonen (elektromagnetischen Wellen) direkt proportional zu ihrer Frequenz ist. Wenn das Photon die Anziehungskraft der Gravitation überwindet, verliert die Arbeit Energie, so dass ihre Frequenz abnimmt.

Für einen Körper wie die Erde ist dieser Effekt eher schwach, aber messbar. Beispielsweise kann für einen Neutronenstern die Größe der Infrarotverschiebung ziemlich groß sein. Für ein Schwarzes Loch erreicht dieses Phänomen wiederum sein Extrem im folgenden Sinne. Tatsache ist, dass ein Schwarzes Loch einen sogenannten Ereignishorizont hat - die Oberfläche, von der aus jede Strahlung eine unendliche Infrarotverschiebung erfährt. Wenn sich die Strahlungsquelle direkt am Horizont befindet, ändert sich das von ihr erzeugte Feld nicht zeitlich: Es gibt keine Strahlung, egal wie weit Sie vom Horizont entfernt sind. Der Horizont ist genau die Oberfläche, von der das Licht (oder eine Welle) nicht ausgehen kann.

"Das Fehlen des Haarsatzes"

Schwarze Löcher sind so angeordnet, dass sie ausschließlich stationäre Felder erzeugen, auch wenn sie sich um ihre Achse drehen (vorausgesetzt, ihr Schwerpunkt liegt in Ruhe). Die von ihnen erzeugten Gravitations- und elektromagnetischen Felder ändern sich nicht mit der Zeit. Diese Aussage wird als Satz über den Haarausfall bei Schwarzen Löchern bezeichnet. Für Sterne ist dies nicht der Fall: Sie können um sich herum beispielsweise zeitlich veränderliche Magnetfelder erzeugen, selbst wenn ihr Schwerpunkt in Ruhe liegt. Dies liegt an der Tatsache, dass die Ladungen im Inneren des Sterns verschiedene Bewegungen ausführen und Strahlung erzeugen. Aber ein Schwarzes Loch schafft nichts dergleichen, selbst wenn unter seinem Horizont eine schreckliche Ladungsbewegung stattfindet.

Nehmen wir ein Gedankenexperiment: Nehmen wir an, wir haben zwei Teilchenwolken, eine besteht ausschließlich aus Protonen und Antiprotonen und die zweite besteht aus Neutronen. Irgendwann begann etwas, diese Wolken zu komprimieren. Wenn ihre Massen und Rotationsmomente gleich wären, erhalten wir als Ergebnis zwei schwarze Löcher, die absolut nicht voneinander zu unterscheiden sind.

Hawking Radiation

Stephen Hawking hat in den frühen 1970er Jahren gezeigt, dass ein Schwarzes Loch Strahlung emittieren sollte, aber es hat eine grundlegend andere Natur als die klassische Strahlung, über die wir oben gesprochen haben. Die oben diskutierte Strahlung hat Quellen, nämlich sich bewegende Ladungen und Massen. Und Hawking-Strahlung, könnte man sagen, hat keine Quelle: Sie ist nicht das Ergebnis einer Ladungsbewegung. Diese Strahlung entsteht durch Änderungen der Eigenschaften des Vakuums (Verstärkung / Verstärkung von Nullpunktschwingungen) aufgrund des Zusammenbruchs von Materie in ein Schwarzes Loch. Wenn Ladungen und Massen nur elektromagnetische Wellen und Gravitationswellen hervorrufen, können durch Quanten-Hawking-Strahlung Elektronen, Positronen, Protonen und andere Teilchen entstehen.

Schwarze Löcher führen also zu verschiedenen Partikeln in ihrer Nachbarschaft. Diese Strahlung hat eine Reihe charakteristischer Eigenschaften. Erstens ist es stationär, das heißt, es ändert sich mit der Zeit sehr langsam, wenn das Schwarze Loch schwer genug ist und langsam seine Masse verliert, wodurch Partikel entstehen. Darüber hinaus hat Hawking-Strahlung ein thermisches Spektrum. Das heißt, ein Schwarzes Loch strahlt als reguläre Quelle, die auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird - die Form eines solchen Spektrums wird ausschließlich durch den Temperaturwert charakterisiert.

Ein wichtiges Merkmal des Temperaturspektrums ist, dass alle Eigenschaften von Partikeln außer Masse und Ladung mit der gleichen Wahrscheinlichkeit emittiert werden. Grob gesagt werden beispielsweise alle neutralen Teilchen und Photonen mit derselben Energie mit derselben Wahrscheinlichkeit emittiert.

Paradox

Jetzt sind wir bereit, das Informationsparadoxon zu formulieren. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei uns vertraute Wolken, von denen eine aus Protonen und Antiprotonen und die andere aus Neutronen besteht. Stellen Sie sich vor, dass sich aus ihnen zwei Sterne gebildet haben - Proton und Neutron. Und dann strahlten diese Sterne infolge ihres Brennens einen Teil ihrer Masse aus, und etwas blieb in Form einer kalten Kugel zurück. Theoretisch können wir anhand der Überreste der Entwicklung der Sterne die Geschichte jedes Elementarteilchens verfolgen, das Teil der Wolken war. Technisch gesehen ist dies natürlich eine wahnsinnig schwierige Aufgabe, aber dies ist nur eine Frage der grundsätzlichen Möglichkeit. Der Unterschied bei Schwarzen Löchern besteht darin, dass wir erstens nicht in der Lage zu sein scheinen, zwischen zwei Schwarzen Löchern zu unterscheiden - Proton und Neutron, wie oben erläutert. Zweitens,Wärmestrahlung ohne Quellen enthält keine detaillierten Informationen über die Zusammensetzung des Schwarzen Lochs. Nach den Überresten der Entwicklung der Schwarzen Löcher scheinen wir daher, selbst wenn sich ihre Masse vollständig in Strahlung umgewandelt hat, grundsätzlich nicht in der Lage zu sein, ihren Ursprung wiederherzustellen.

Warum ist das paradox? Tatsache ist, dass die Kraft der Wissenschaft in ihrer Vorhersagekraft liegt. Die Wissenschaft kann vorhersagen, dass Sie, wenn Sie dies und das tun, mit der einen oder anderen Wahrscheinlichkeit und der einen oder anderen Genauigkeit ein solches Ergebnis erzielen und diese Aussage quantitativ ausdrücken. Und jeder andere Wissenschaftler kann dieses oder jenes Experiment überprüfen. Es stellt sich heraus, dass sich bei Verlust von Informationen bei Vorhandensein eines Schwarzen Lochs alles als falsch herausstellt. Mathematisch drückt sich dies in der Tatsache aus, dass sich die Gesamtwahrscheinlichkeit einiger Prozesse als ungleich der Einheit herausstellen kann, sogar größer als die Einheit.

Kritik des Paradoxons

All dies beruhte jedoch auf einer Art qualitativer Argumentation. Alle von ihnen erfordern eine formale Bestätigung der Berechnung. Diese rechnerischen Bestätigungen des Paradoxons werden mit einem so geringen Grad an Genauigkeit und mit so vielen groben Annahmen formuliert, dass sie mit demselben Grad an Genauigkeit widerlegt werden können. Eine andere Sache ist, dass viele Details verschiedener Prozesse, die in Gegenwart von Schwarzen Löchern ablaufen, unklar bleiben. Und für den Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft, der glaubt, dass es ein Paradoxon gibt, ist seine Lösung ein richtungsweisendes Licht für das Verständnis der Natur von Schwarzen Löchern. In der Wissenschaft kommt es häufig vor, dass es unterschiedliche Sichtweisen auf ein noch wenig verstandenes Thema gibt.

Emil Akhmedov, Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, Leitender Forscher am A. I. Alikhanov-Institut für Theoretische und Experimentelle Physik, außerordentlicher Professor, Institut für Theoretische Physik, Moskauer Institut für Physik und Technologie, außerordentlicher Professor, Institut für Mathematik, Hochschule für Wirtschaft.

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