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Quantum Mechanical Nature of Black Holes

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Neue Theorie enthüllt mikroskopische Bestandteile Schwarzer Löcher

Die Erforschung Schwarzer Löcher ist von Bedeutung, um die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik in Einklang bringen und genauere Kenntnisse zu Raum und Zeit in ihren Extremen zu liefern. Hierfür muss man jedoch über die beobachtbaren makroskopischen Merkmale hinausgehen. Das Projekt QUNAT (Quantum Mechanical Nature of Black Holes) entwickelte nun hierfür eine neue Theorie, mit der sich Eigenschaften eines Schwarzen Lochs auch auf mikroskopischer Ebene beschreiben lassen.

Weltraum

1975 entwickelten Benkenstein und Hawking eine Formel für die Entropie eines Schwarzen Lochs, d.h. die Zahl möglicher mikroskopisch kleiner Zustände, die mit dessen beobachtbarem makroskopischen Zustand übereinstimmen. Aber dieser Durchbruch enthüllte auch eines der größten und wichtigsten Probleme der theoretischen Hochenergiephysik: das Masseparadoxon des Schwarzen Lochs. Laut Quantentheorie gelangt keine Masse aus einem Schwarzen Loch hinaus. Diese Information ist nicht existent, selbst in der Strahlung, die ein Schwarzes Loch abgibt, wenn es verdampft. Ein schwarzes Loch kann nur über seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Drehimpuls beschrieben werden, und darin ist keine Information enthalten. Mit anderen Worten, es gibt derzeit keine Möglichkeit, die Zusammensetzung eines Schwarzen Lochs auf mikroskopischer Ebene zu klären. "Dies ist vergleichbar mit dem Zustand von Wasser", sagt Troels Harmark, Professor für Theoretische Teilchenphysik und Kosmologie am Niels-Bohr-Institut. "Wasser besteht auf mikroskopischer Ebene aus Wassermolekülen (H2O), die wiederum aus anderen Atomen und Elementarteilchen bestehen. Allerdings sind nur seine makroskopischen Eigenschaften wie Temperatur und Druck beobachtbar. Diese makroskopischen Merkmale sind bei Schwarzen Löchern schon recht gut erforscht, etwa Masse und Temperatur. Anders sieht es hingegen bei den mikroskopischen Bestandteilen aus." Während in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte gemacht wurden, insbesondere für spezielle Klassen von Schwarzen Löchern in der Stringtheorie, fehlen noch genauere Forschungsdaten zu ihrer Astrophysik. Auf der Suche nach Möglichkeiten, alle mikroskopischen Bausteine zu quantifizieren, forschte Prof. Harmark zur Entropie Schwarzer Löcher. Seine Arbeit unter dem QUNAT-Projekt beginnt, wo die Forschung mit dem holografischen Prinzip nicht weiterkommt: nach diesem Prinzip wird das Informationsparadoxon eines Schwarzen Lochs aufgelöst, indem postuliert wird, dass es sich um eine zweidimensionale Oberfläche handelt, die in 3D abgebildet ist. "Das holographische Prinzip besagt, dass bestimmte Quantentheorien ohne Gravitation und außerhalb unserer Raumzeit die mikroskopischen Bausteine ​​eines Schwarzen Lochs beschreiben können. Bei solchen Quantentheorien sind die Dimensionen reduziert. Für dieses Konzept sind alle richtigen qualitativen Voraussetzungen vorhanden", erklärt er. Während die Gültigkeit des holographischen Prinzips kaum angezweifelt wird, sind seine Funktionen nur in hochsymmetrischen Situationen und bei schwacher Schwerkraft gültig. Durch seine extreme Gravitation ist ein Schwarzes Lochs jedoch sehr viel komplexer: Um die mikroskopische Zusammensetzung zu klären, musste das Projektteam bei der Kopplung der zugrundeliegenden Quantentheorie ansetzen und sie extrem vergrößern. Hierzu wurde eine Grenze der Gravitation und Quantenmechanik angenommen, an denen beide so stark vereinfacht sind, dass diese große Kopplungsgrenze erreicht wird. "Unter dieser Grenze kann das Schwarze Loch mit einer neuen, von uns entwickelten quantenmechanischen Theorie beschrieben werden, der so genannten Spin-Matrix-Theorie", erklärt Prof. Harmark. Mit dieser neuen Theorie erforschte das Team insbesondere die so genannten D-Branen: nicht-perturbative Objekte, die Schwarzen Löchern ähneln. Dabei zeigte sich, wie D-Branen, die an einem Gravitationshintergrund beschrieben werden, mit ihren Wechselwirkungen aus einer Quantentheorie abgeleitet werden. "Damit konnten wir erstmals über die supersymmetrische Grenze von D-Branen hinausgehen, denn die Interaktionen bedingen nicht-supersymmetrische Korrekturen", sagt Prof. Harmark. Dann konnte eine Geometrie gefunden werden, die sich aus einer konkreten Spin-Matrix-Theorie ableitet. "Um ein Schwarzes Loch erforschen zu können, muss geklärt sein, wie die Geometrie mittels Quantentheorie bestimmt wird. In diesem Fall können wir die Ableitung der Geometrie aus allen Spin-Matrix-Theorien erklären, was vor allem zeigt, dass diese Geometrie neu ist und bislang nicht mit ihr gearbeitet wurde." Prof. Niels Obers, stellvertretender Forschungsleiter am Niels-Bohr-Institut und wissenschaftlicher Leiter des Projekts, erklärt, dass dies genauere Erkenntnisse zur Ableitung von Raum und Zeit aus einer zugrunde liegenden Quantentheorie liefert. "Damit können wir vielleicht irgendwann die früheste Phase des Urknalls und dort die Entstehung von Raum und Zeit verstehen", hofft er. Nach Abschluss des Projekts forscht das Team nun weiter an den Spin-Matrix-Theorien, mit denen sich ein Schwarzes Loch beschreiben lässt. Zudem könnte die Spin-Matrix-Theorie neue holografische Korrelationen liefern, mit der sich quantitativ darstellen lässt, wie Raum und Zeit aus einer Quantentheorie abgeleitet werden können.

Schlüsselbegriffe

QUNAT, schwarzes Loch, mikroskopische Eigenschaften, allgemeine Relativitätstheorie, Quantenmechanik, Hawking, Benkenstein, holographisches Prinzip, Spin-Matrix-Theorie, D-Branen

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