[ Dieser Beitrag ist eine Übersetzung eines Artikels von Sabina Hossenfelder ]Stephen Hawkings
"Kurze Geschichte der Zeit" war eines der ersten Sachbücher, die ich las, und ich hasste es. Ich hasste es, weil ich es nicht verstand. Die Frustration aus diesem Buch wurde zu einem der Hauptgründe, warum ich Physiker wurde - zumindest weiß ich, wer dafür verantwortlich ist.
Hinweis Übersetzung: Ich habe Links und einige Abbildungen hinzugefügt und auch einen Teil des Textes entfernt, der für den Fall nicht besonders relevant war (der Ort ist im Text vermerkt).
Der ursprüngliche Beitrag kann sich keiner idealen Erzählstruktur rühmen, die ich nicht geändert habe. Aber das Problem ist sehr wichtig und relevant, und für seine Diskussion und Erklärung gegenüber Sabina kann man die Stilfehler verzeihen.
Der Beitrag kann als erweiterter Kommentar zur jüngsten Veröffentlichung von Ethans Übersetzung angesehen werden.
Ich habe aufgehört, dieses Buch zu hassen - ich muss zugeben, dass mit Hawkings Vorschlag das Interesse der Öffentlichkeit an den grundlegenden Problemen der Physik (im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern) geweckt wurde. Aber von Zeit zu Zeit möchte ich immer noch das verdammte Buch schlagen. Nicht weil ich sie nicht verstehe, sondern weil sie so viele Menschen überzeugt hat, dass
sie sie verstehen.
In diesem Buch malte Hawking ein elegantes Bild der Verdunstung von Schwarzen Löchern, das heute überall verwendet wird. Seiner Ansicht nach verdunsten schwarze Löcher, weil Paare virtueller Partikel, die in der Nähe des Horizonts entstehen, durch Gezeitenkräfte auseinandergerissen werden. Eines der Partikel erscheint jenseits des Ereignishorizonts und fällt in ein Schwarzes Loch, und das zweite fliegt heraus. Infolgedessen emittiert ein Schwarzes Loch ständig Partikel am Ereignishorizont. Es ist einfach, intuitiv und völlig falsch.
Eine solche Erklärung ist keine einfache Illustration mehr. In Wirklichkeit - Sie werden nicht überrascht sein - ist die Situation komplizierter.
Teilchenpaare sind - soweit es sinnvoll ist, über Teilchen in der Quantenphysik zu sprechen - nicht im Raum lokalisiert. Sie werden über einen Raumbereich "verschmiert", der mit dem Radius eines Schwarzen Lochs vergleichbar ist (
ca. Trans. Ähnlich wie sich ein Elektron nicht in einer bestimmten Umlaufbahn um den Kern eines Atoms bewegt, sondern sich irgendwann darauf befindet, sondern um den Kern "verschmiert" wird ). Partikelpaare erscheinen nicht als Punkte, sondern als Wolken, die überall um das Schwarze Loch herum verschwimmen und sich nur in Abständen trennen, die mit dem Radius des Schwarzen Lochs vergleichbar sind. Das Bild, das Hawking für Laien gemalt hat, wird von keiner Mathematik unterstützt. Es ist ein Element der Wahrheit darin, aber es sollte nicht zu ernst genommen werden - es kann zu einer Quelle vieler Missverständnisse werden.
Die Tatsache, dass Hawkings Erklärung nicht korrekt ist, ist nicht neu - seit den frühen 70er Jahren ist bekannt, dass Hawking-Strahlung nicht am Horizont auftritt. Bereits im
Lehrbuch von Birrell und Davis (1984) ist klar geschrieben, dass, wenn wir das Auftreten von Strahlung am Horizont annehmen und den Prozess der Strahlung in der entgegengesetzten Richtung zeitlich betrachten: Partikel, die sich dem Ereignishorizont aus der Ferne nähern und die Frequenz erhöhen ("
Blauverschiebung "), Dies gibt keine korrekte Beschreibung des Gebiets in der Nähe des Ereignishorizonts. Der richtige Ansatz wäre anders: Partikel aus dem Hawking-Paar bei der Geburt werden „verschmiert“ und miteinander vermischt, so dass wir sie nur im lokalen Sinne als „Partikel“ bezeichnen können (
wir meinen das lokale Koordinatensystem aus Sicht von GR, ca. . ). Darüber hinaus muss man ehrlich beobachtbare Größen wie den Moment-Impuls-Tensor berücksichtigen.
Die Annahme des Auftretens von Paaren in einem bestimmten Abstand vom Ereignishorizont war notwendig, um das Rätsel zu lösen, dass die Physiker in den 70-80er Jahren verwirrt waren. Die Strahlungstemperatur eines Schwarzen Lochs ist aus der Ferne sehr niedrig. Damit diese Strahlung der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs entkommen kann, muss sie zunächst in der Nähe des Horizonts enorme Energie besitzen. Und dann würde ein Beobachter, der in ein Schwarzes Loch fällt, zu Asche werden und durch ein Gebiet mit solcher Energie gehen. Dies verstößt wiederum gegen das
Äquivalenzprinzip , wonach ein Beobachter, der in ein Schwarzes Loch fällt, beim Überqueren des Horizonts nichts Ungewöhnliches bemerken sollte.
Um dieses Problem zu lösen, muss berücksichtigt werden, dass Strahlung nicht als vom Horizont selbst kommend angesehen werden kann. Wenn wir
den Energie-Impuls-Tensor in der Nähe des Horizonts ehrlich berechnen, stellt sich heraus, dass er klein genug ist und dies auch beim Überqueren des Horizonts bleibt. Tatsächlich ist es so klein, dass ein fallender Beobachter den Unterschied zum flachen Raum nur in Abständen bemerken kann, die mit dem Radius eines Schwarzen Lochs vergleichbar sind (der auch die Größe der Raum-Zeit-Krümmung hat). Dann konvergiert alles und es entsteht keine Verletzung des Äquivalenzprinzips.
[Ich weiß, das klingt alles nach dem
Firewall-Problem, das ich zuvor
besprochen habe, aber dies ist ein etwas anderer Effekt.
(Hinweis: Das Firewall-Problem tritt auf, wenn wir die Verschränkung zwischen dem emittierten Teilchen und dem Teilchen betrachten, das in ein Schwarzes Loch gefallen ist. Um die Prinzipien der Quantenmechanik zu erfüllen, müssen diese Korrelationen zerstört werden. Wenn Korrelationen zerstört werden, wird riesige Energie freigesetzt, die am Horizont eine „Feuerwand“ erzeugt.) Dies verursacht verschiedene Probleme beim Rechnen in der Nähe des Horizonts. Die Idee einer Firewall kann mit der Begründung kritisiert werden, dass der Energie-Impuls-Tensor im
ursprünglichen Artikel über eine Firewall nicht berechnet wurde. Im Gegensatz zu
anderen glaube ich nicht, dass das Problem darin besteht.]
Der wahre Grund, der durch Berechnungen gestützt wird, ist, dass Partikel von Schwarzen Löchern emittiert werden, da das Konzept eines Partikels für verschiedene Beobachter unterschiedlich ist.
Wir sind daran gewöhnt, dass sich das Partikel entweder bei uns befindet oder nicht. Dies gilt jedoch nur, solange wir uns relativ zueinander gleichmäßig bewegen. Wenn der Beobachter (wir) beschleunigt, ändert sich die Definition eines Teilchens für ihn. Was für einen Beobachter mit gleichmäßiger Bewegung wie ein leeres Vakuum aussieht, wird während der Beschleunigung mit Partikeln gefüllt.
Dieser Effekt ist nach
Bill Unruh benannt , der ihn fast gleichzeitig mit der Hawking-Hypothese der Schwarzlochstrahlung vorschlug. Der Effekt selbst ist zu gering für unsere üblichen Beschleunigungen, und wir bemerken ihn nie.
Der Unruh-Effekt ist eng mit dem Hawking-Verdampfungseffekt des Schwarzen Lochs verbunden. Wenn schwarze Löcher entstehen, erzeugt Materie, die in ein schwarzes Loch kollabiert, eine dynamische Raumzeit, die zu einer Beschleunigung zwischen Beobachtern in der Vergangenheit und in der Zukunft führt. Infolgedessen wird die Raumzeit um kollabierende Materie, die vor dem Auftreten eines Schwarzen Lochs keine Partikel enthielt, in den späten Stadien des Kollapses mit Wärmestrahlung gefüllt. Das heißt, Hawking-Strahlung ist das gleiche Vakuum, das ursprünglich die kollabierende Substanz umgab (
ungefähr wie beim Unruh-Effekt wird das Vakuum mit Strahlung gefüllt, wenn der Beobachter beschleunigt ).
Dies ist die Quelle der Strahlung von Schwarzen Löchern: Die Definition eines Teilchens hängt vom Betrachter ab. Nicht so einfach wie ein Hawking-Bild, aber viel genauer.
Hawkings Bild von Teilchen-Antiteilchen-Paaren am Horizont ist so erstaunlich populär geworden, dass sogar einige Physiker jetzt glauben, dass genau dies passiert (
Anmerkung: Zu Sabinas Beitrag dachte ich selbst zu meiner Schande ). Die Tatsache, dass die Blauverschiebung der Strahlung, wenn man ihre zeitliche Ausbreitung von unendlich zum Horizont betrachtet, so viel Energie am Horizont liefert, ist in der Literatur verloren gegangen. Leider führt das Missverständnis der Verbindung zwischen dem Hawking-Partikelfluss weit vom BH und nahe dem Ereignishorizont zu der falschen Schlussfolgerung, dass dieser Fluss viel stärker ist als er tatsächlich ist. Dies
führte beispielsweise dazu,
dass Mersini-Houghton Fehler bei der Ableitung von Beweisen dafür machte, dass Schwarze Löcher überhaupt nicht existieren.
(
Hinweis. Außerdem wird der Artikel aus Gründen der Lesbarkeit gekürzt. Der ursprüngliche Beitrag behandelt das Buch „Spooky Action at a Distance“ und Berechnungen, bei denen die genaue Entfernung, in der Hawking-Strahlung entsteht - auf mehrere BH-Radien - berechnet und die Quelle des Effekts ausführlich besprochen wird. )
Wenn Hawkings Buch mir eines beigebracht hat, dann ist es, dass klebrige visuelle Metaphern sowohl ein Fluch als auch ein Segen sein können.
