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Zutaten: Zucker, Kakaomasse (50%), Milchzucker, Weizenmehl, Vollmilchpulver, Magermilchpulver, Butterreinfett, Sahnepulver, Butter (1,4%)
Kann Spuren von Analysis und Geometrie enthalten.

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Hawkings schwarze Löcher

Letzte Woche, am 14.3. (Pi Day), erhielten wir die Nachricht vom Tod Stephen Hawkings. Fernsehen, Radio, Medien, Journalisten und Spezialisten aus aller Welt würdigten sein Leben, seine Forschungsergebnisse, sein Engagement für eine bessere Welt und seine Bemühungen zur Popularisierung physikalischer Ergebnisse. Sie diskutierten sein Leben sowie seine Krankheit. Auch wir denken an ihn.

Hawkings wissenschaftliche Arbeiten

Eines seiner großen Forschungsthemen waren schwarze Löcher. Wir berichteten im 2. Beitrag dieses Blogs Wie lange kann ich in einem Schwarzen Loch leben? über das No-Hair-Theorem, wo wir die fehlende innere Geometrie eines schwarzen Loches diskutierten, über Gravitationswellen im 7. Beitrag: Wie klingen Gravitationswellen? und im 63. Beitrag Wie projektive Räume die Zeit beschreiben, wo wir den projektiven Raum CP1 als Modell für die Raum-Zeit nach Hawking und Penrose erklärten. Es ist schwierig, die hawkingschen Theorien für ein junges Publikum mit „normaler“ Schulbildung zu präsentieren. Es ist noch schwieriger, seine wissenschaftlichen Arbeiten zu verstehen. Er setzt Kenntnisse der Differentialgeometrie stillschweigend voraus: K3 surface, Sphären S², der projektive Raum CP², das Atiyah-Singer-Indextheorem, um mal nur ein paar Begriffe aus dem Artikel über virtuelle schwarze Löcher zu erwähnen. Aus mathematisch-methodischer Sicht ist es am allerschwersten, seine Arbeiten zu lesen. So ist die erste Formel oder Gleichung im Artikel über die virtuellen schwarzen Löcher die folgende:

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S. W. Hawking: Virtual Black Holes, https://arxiv.org/pdf/hep-th/9510029.pdf, Aufruf am 21.3.2018

Schwarze Löcher als Raum-Zeit-Objekte

Doch seine Theorien über schwarze Löcher, seine Szenarien, Berechnungen und Gedankenexperimente sind grandios und es wert, sich damit zu beschäftigen. Zuerst sollte man akzeptieren, dass schwarze Löcher Objekte in der Raum-Zeit sind, also im 4-Dimensionalen. Für den Rand des schwarzen Loches hat man den Begriff des Ereignishorizonts gefunden. Es ist eine kritische Linie, wenn man die überschreitet, wird man hineingezogen.

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Darstellung eines schwarzen Loches (nur) im 3-Dimensionalen. Die orange Linie ist der Ereignishorizont.

Hawking-Strahlung

Aber da sieht man schon das Problem unserer Vorstellung, der Ereignishorizont ist natürlich eine Fläche im 4-dimensionalen Raum und keine Linie. Das schwarze Loch ist so schwer, dass es Alles anzieht und Nichts herauslässt. Darüber hat Hawking nachgedacht, wie sich das mit den Erhaltungssätzen der Physik verträgt. Und er hat ein Modell vorgeschlagen, in dem das schwarze Loch, das sich eben nicht erwärmt, doch von Zeit zu Zeit Teilchen herausschleudert, die Hawking-Strahlung, und hat versucht, diese auszurechnen. Diese Strahlung sei für Löcher mit einer Masse wie der der Sonne so gering, dass sie kaum zu messen sei, ein schwarzes Loch mit einer Masse wie ein Bergmassiv könnte Röntgen- und Gamma-Strahlung emittieren, so ca. 10 Mio Megawatt pro Zeiteinheit, genug, um die Erde mit elektrischem Strom zu versorgen, und ein ganz kleines schwarzes Loch könnte immerhin noch eine Art Elektrotankstelle für uns sein – wenn wir es denn fixieren könnten, denn es würde schnurstracks ins Erdinnere verschwinden. Also sollten wir solche kleinen schwarzen Löcher außerhalb der Erde suchen.

Hawkings schlägt vor, solche schwarzen Löcher selbst zu erzeugen, zum Beispiel beim Large Hadron Collidier in CERN (Schweiz). Dort gibt es einen 27 km langen Tunnel. Zwei Partikelpakete könnten man losschicken, in entgegengesetzter Richtung und organisieren, dass sie aufeinandertreffen. Manche von diesen Kollissionen könnten ein ganz kleines schwarzes Loch erzeugen, ein solches würde Partikel in einer Art abstrahlen, die messbar wäre.

Determinismus und schwarze Löcher

Doch warum sollten wir uns mit schwarzen Löchern beschäftigen? Sie sind sehr weit weg. Wir sehen nur ihre Phänomene und stellen verschiedene mathematisch-physikalische Modelle auf. Auch hierauf hat Hawking eine Antwort. Wie schon die Quantentheorie mit ganz neuen Denkmodellen, zum Beispiel die heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation, gibt es hier das Phänomen des Informationsverlustes. Nehmen wir an, jemand fällt in ein schwarzes Loch, ein Astronaut, ein Fernseher, unser Müll usw. und nach einiger Zeit kommen zufällige Teilchen wieder heraus, Teilchen ohne Vergangenheit, ja, dann geht offensichtlich Information verloren. Hawking verweist auf eine Idee von Richard Feynman: Von außen gesehen, sehen wir das schwarze Loch gar nicht. Vielleicht gibt es das gar nicht – oder nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit? Und wenn man hineinfällt,  kommt man vielleicht in einem anderen Universum (in anderen Dimensionen) wieder heraus, stellt Hawking dem entgegen. Doch, um zur Sinnfrage zurückzukommen: Wenn es etwas gibt, was wir nicht verstehen, was nicht deterministisch funktioniert, wie können wir sicher sein, dass wir überhaupt leben, dass sich das Universum entwickelt und wie sollen wir es weiter beschreiben? Deshalb sind die schwarzen Löcher unsere große wissenschaftliche Chance.