Schwarze Löcher bleiben nicht still.
Sie sind aufgewühlt. Sie fressen Materie. Sie prallen aufeinander und verflüchtigen sich schließlich im Nichts. Ein halbes Jahrhundert lang behandelten Physiker sie, als wären sie statische, unveränderliche Gesteine am Ende des Universums. Das ist falsch.
Eine neue Studie der Penn State University hat die Thermodynamik von Schwarzen Löchern, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, gelüftet, indem sie alte Regeln durch etwas ersetzt hat, das tatsächlich der Realität entspricht.
Die alten Regeln funktionierten nur bei gefrorenen Schwarzen Löchern
Hier ist die Sache mit Schwarzen Löchern. Sie sind extrem. Erdrückende Schwerkraft. Null Flucht.
In den 1970er Jahren zeigte uns Stephen Hawking etwas Seltsames. Schwarze Löcher gehorchen den Gesetzen der Thermodynamik. Die gleichen Regeln, die bestimmen, wie Eis schmilzt oder Kaffee abkühlt, scheinen auch diese kosmischen Gruben zu beherrschen.
Aber es gab einen Haken.
„Hawkings Gesetze … weisen eine schwerwiegende Einschränkung auf“, sagt Abhay Ashtekar. Er leitet das Team von Penn State. „Sie wurden für ein Schwarzes Loch im Gleichgewicht formuliert. Sie ändern sich im Laufe der Zeit nicht.“
Echte Schwarze Löcher bleiben niemals so.
Sie bilden sich. Sie verschmelzen. Sie verblassen.
Die alte Mathematik funktionierte perfekt für ein hypothetisches Schwarzes Loch, das allein dasteht und nichts tut. Aber das Universum verteilt diese nicht.
Warum Ereignishorizonte über Entropie lügen
Entropie misst Störung. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass er niemals abnimmt. Bei Schwarzen Löchern sei die Entropie laut Hawking an die Oberfläche des Ereignishorizonts gebunden. An dieser Grenze wird die Schwerkraft zu stark, als dass Licht entweichen könnte.
Es klingt einfach. Das ist es nicht.
Das Problem? Der Ereignishorizont ist teleologisch.
Das heißt, seine Form hängt von der Zukunft ab. Nicht die Gegenwart. Um zu wissen, wo sich ein Ereignishorizont gerade befindet, muss man alles wissen, was später hineinfällt oder explodiert. Für die Verfolgung der Physik in Echtzeit macht das keinen Sinn.
„Eigenschaften können nicht nur durch lokale Physik bestimmt werden“, erklärt Co-Autor Jonathan Shu. „Stattdessen verlassen sie sich auf die Vorhersage von Ereignissen.“
Man kann damit also nicht die physikalische Entropie dynamischer Schwarzer Löcher messen. Die Kennzahl bricht zusammen, sobald sich etwas zu bewegen beginnt.
Dynamische Horizonte lösen das Timing-Problem
Die Lösung besteht darin, den Ereignishorizont durch etwas anderes auszutauschen. Geben Sie ein: dynamische Horizonte.
Das sind keine theoretischen Geister. Sie werden durch physikalische Eigenschaften zu einem bestimmten Zeitpunkt definiert. Es besteht keine Notwendigkeit, die Zukunft vorherzusagen.
Der neue Ansatz verknüpft die Entropie direkt mit zwei Dingen.
1. Die Energie des Schwarzen Lochs.
2. Sein Spin.
Es ist sauberer. Realistischer.
„Wir können diese verallgemeinerten … anwenden, um die Verdunstung … und die Verschmelzung von Schwarzen Löchern besser zu verstehen.“ – Ashtekar
Das ist wichtig, weil wir diese Fusionen ständig sehen. Gravitationswellendetektoren wie LIGO erfassen die Wellen. Aber ohne genaue Thermodynamik können wir die Daten nicht vollständig analysieren. Wir hören einem Gespräch zu, für das uns noch die Worte fehlen.
Ändert dies unsere Sicht auf die Schwerkraft?
Wahrscheinlich.
Daniel Paraizo, einer der Autoren, weist auf den Wandel hin. Frühere Modelle gingen davon aus, dass Schwarze Löcher eine Temperatur von Null und eine unendliche Entropie hätten. Sie absorbierten Energie und gaben nichts zurück. Reine Staubsauger.
Dann änderte die Hawking-Strahlung das. Schwarze Löcher geben Energie ab. Sie haben Temperatur. Aber die alten Gleichgewichtsgesetze konnten diese Leckage nicht reibungslos verfolgen.
Mit dynamischen Horizonten können Sie jetzt das Leben eines Schwarzen Lochs verfolgen. Von der Entstehung über die Verschmelzung bis zur Verdunstung. Ein fortlaufender physikalischer Thread statt einer Reihe unzusammenhängender Schnappschüsse.
Es ist keine Zauberei. Es ist nur die Mathematik, die endlich zugibt, dass Veränderungen normal sind.
Wird es die Quantengravitation erklären? Vielleicht. Im Moment können wir einfach damit aufhören, so zu tun, als wären Schwarze Löcher in Bernstein eingefroren. Sie sind in dem Sinne lebendig, wie sich die Physik um das Leben kümmert: um die Veränderung von Systemen.
Was als nächstes passiert, hängt davon ab, wie gut die Simulationen halten.
