Feuerwand-Paradoxon

Kernidee und Bedeutung

Die Feuerwand eines Schwarzen Lochs ist ein hypothetisches Phänomen: Ein Beobachter, der in ein Schwarzes Loch fällt, würde am oder nahe am Ereignishorizont auf hochenergetische Quanten treffen. Der Ereignishorizont ist die Grenze, hinter der nichts mehr nach außen entkommen kann. Die Feuerwand wäre damit eine Art hochenergetische Barriere an dieser Grenze.

Vorgeschlagen wurde das Feuerwand-Phänomen 2012 von Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski und James Sully. Deshalb wird die Idee auch AMPS Firewall genannt. Sie soll eine mögliche Lösung für eine scheinbare Unstimmigkeit in der Komplementarität Schwarzer Löcher sein. Die Komplementarität Schwarzer Löcher versucht, Aussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik über Schwarze Löcher miteinander vereinbar zu machen.

Das Problem hängt mit Hawking-Strahlung zusammen. Nach der Quantenmechanik kann ein Schwarzes Loch Strahlung abgeben. Diese Strahlung entsteht in verschränkten Zuständen: Verschränkung bedeutet, dass Quantensysteme so miteinander verbunden sind, dass der Zustand des einen Systems nicht unabhängig vom Zustand des anderen beschrieben werden kann. Das Paradoxon entsteht, weil dieselbe ausgehende Hawking-Strahlung scheinbar mit zwei voneinander unabhängigen Systemen vollständig verschränkt sein müsste. Das widerspricht der Monogamie der Verschränkung: Ein Quantensystem kann nicht gleichzeitig mit zwei unabhängigen Systemen vollständig verschränkt sein.

Die Feuerwand wäre eine mögliche Antwort darauf: Die Verschränkung zwischen einfallenden und ausgehenden Teilchen würde abrupt aufgebrochen. Dadurch entstünde eine hochenergetische Zone am Ereignishorizont. Diese Lösung ist jedoch umstritten, und Physiker sind sich nicht einig, wie das Paradoxon tatsächlich gelöst werden sollte.

Das grundlegende Paradoxon

Nach der Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit sind an einer einzelnen Emission von Hawking-Strahlung zwei miteinander verschränkte Teilchen beteiligt. Ein Teilchen bewegt sich nach außen, entkommt dem Schwarzen Loch und erscheint als Quant der Hawking-Strahlung. Das andere Teilchen fällt nach innen und wird vom Schwarzen Loch verschluckt.

Angenommen wird dabei, dass ein Schwarzes Loch in endlicher Zeit in der Vergangenheit entstanden ist und in endlicher Zeit in der Zukunft vollständig verdampft. Dann sendet es nur eine endliche Menge an Informationen aus, die in seiner Hawking-Strahlung kodiert sind. Für ein altes Schwarzes Loch, das bereits die Hälfte seiner Verdampfung hinter sich hat, legen allgemeine Argumente der Quanteninformationstheorie von Page und Lubkin nahe, dass die neue Hawking-Strahlung mit der alten Hawking-Strahlung verschränkt sein muss.

Gleichzeitig verlangt die übliche Beschreibung der Hawking-Strahlung, dass die neue ausgehende Strahlung mit Freiheitsgraden hinter dem Horizont verschränkt ist. Freiheitsgrade sind die physikalischen Zustandsmöglichkeiten eines Systems. Damit scheint das ausgehende Teilchen zugleich mit dem einfallenden Teilchen und unabhängig davon mit der früheren Hawking-Strahlung verschränkt zu sein. Genau das widerspricht der Monogamie der Verschränkung.

AMPS argumentierte zunächst, dass zur Lösung des Paradoxons möglicherweise einer von drei bewährten Grundsätzen aufgegeben werden müsse: Einsteins Äquivalenzprinzip, die Einheitlichkeit oder die bestehende Quantenfeldtheorie. Einheitlichkeit, auch Unitarität genannt, bedeutet in der Quantenmechanik, dass Information bei der zeitlichen Entwicklung nicht verloren geht. Später wurde jedoch anerkannt, dass das Monogamie-Paradoxon außerdem auf einer stillschweigenden Annahme beruht: der Lokalität. Lokalität bedeutet, dass physikalische Einflüsse nur örtlich und nicht sofort über beliebige Entfernungen wirken. Eine verbreitete Ansicht ist, dass Theorien der Quantengravitation nicht exakt lokal sind und das Paradoxon dadurch aufgelöst werden kann. Andere Physiker meinen jedoch, dass solche Verletzungen der Lokalität das Paradoxon nicht lösen.

Firewall-Lösung

Die Firewall-Lösung setzt an der Verschränkung zwischen einfallendem und ausgehendem Teilchen an. Einige Wissenschaftler vermuten, dass diese Verschränkung sofort aufgehoben werden muss. Wenn eine solche Verschränkung aufbricht, würde nach dieser Vorstellung eine große Energiemenge freigesetzt. Dadurch entstünde am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs eine Zone aus hochenergetischen Teilchenzuständen: die Feuerwand.

Diese Lösung hat einen hohen theoretischen Preis. Sie verlangt eine Verletzung von Einsteins Äquivalenzprinzip. Dieses Prinzip besagt, dass freier Fall lokal nicht vom Schweben im leeren Raum unterschieden werden kann. Für einen frei fallenden Beobachter sollte das Durchqueren des Ereignishorizonts nach der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie also nichts Besonderes sein. Eine Feuerwand würde dagegen bedeuten, dass der Beobachter beim Ereignishorizont eine extreme physikalische Wirkung erlebt.

Der theoretische Physiker Raphael Bousso bewertete diese Verletzung des Äquivalenzprinzips als starke Kritik an der Feuerwand-Hypothese. Die Firewall-Idee löst also eine quantenmechanische Unstimmigkeit, erzeugt aber zugleich ein großes Problem für ein zentrales Prinzip der Relativitätstheorie.

Andere Lösungsvorschläge

Neben der Feuerwand gibt es mehrere Vorschläge, das Paradoxon ohne Firewall zu lösen. Eine Möglichkeit lautet, dass es keine Verschränkung zwischen den neu emittierten Teilchen und der vorherigen Hawking-Strahlung gibt. Diese Lösung würde aber einen Informationsverlust des Schwarzen Lochs bedeuten. Das wäre eine umstrittene Verletzung der Unitarität, also der Annahme, dass Information in der Quantenmechanik nicht verloren geht.

Steve Giddings und andere schlagen vor, die Quantenfeldtheorie so zu verändern, dass die Verschränkung allmählich verloren geht, wenn sich ausfallende und einfallende Teilchen voneinander trennen. Dann würde Energie langsamer im Inneren des Schwarzen Lochs frei, und es entstünde keine abrupte Firewall.

Der Papadodimas-Raju-Vorschlag beschreibt das Innere des Schwarzen Lochs durch dieselben Freiheitsgrade wie die Hawking-Strahlung. Dadurch werden die beiden Systeme, mit denen spätere Hawking-Strahlung verschränkt zu sein scheint, nicht mehr als unabhängig betrachtet. Das Monogamie-Paradoxon verschwindet, weil es dann keinen Widerspruch zur Monogamie der Verschränkung gibt.

Ähnlich argumentiert der ER=EPR-Vorschlag von Juan Maldacena und Leonard Susskind. Danach könnten aus- und einfallende Teilchen durch Wurmlöcher miteinander verbunden sein und deshalb keine unabhängigen Systeme darstellen. Ein anderer Ansatz benutzt Fuzzballs: Dabei wird die ausgehende Hawking-Strahlung stärker mit der Entstehungsgeschichte und den Freiheitsgraden im Inneren des Schwarzen Lochs gekoppelt.

Stephen Hawking schlug informell vor, den Ereignishorizont durch einen „scheinbaren Horizont“ zu ersetzen. An diesem würden einfallende Materie zunächst in der Schwebe gehalten und später wieder freigesetzt. Dieser Vorschlag erhielt im Januar 2014 Aufmerksamkeit in populärwissenschaftlichen Medien. Einige Wissenschaftler kritisierten jedoch, dass er nicht weit genug ausgearbeitet sei, um das Paradoxon vollständig zu lösen.

Merkmale und mögliche Beobachtung

Die Feuerwand wird als dünne hochenergetische Schicht am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs beschrieben. Für Beobachter außerhalb des Ereignishorizonts wäre sie nicht direkt beobachtbar. Materie, die in das Schwarze Loch fällt und die Feuerwand durchquert, würde dabei extrem stark beeinflusst: Alle chemischen Bindungen würden aufgelöst.

Bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher könnten die Eigenschaften einer Firewall, falls es sie gibt, Spuren in der Gravitationsstrahlung hinterlassen. Gravitationsstrahlung besteht aus Wellen in der Raumzeit, die unter anderem bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher entstehen. Eine mögliche Spur wären „Echos“, wenn Wellen in der Nähe eines unscharfen Ereignishorizonts abprallen.

Wie viele solcher Echos zu erwarten wären, ist theoretisch unklar, weil es derzeit kein gutes physikalisches Modell für Firewalls gibt. Im Jahr 2016 behaupteten der Kosmologe Niayesh Afshordi und andere, in den Daten der ersten von LIGO entdeckten Verschmelzung eines Schwarzen Lochs erste Anzeichen für ein solches Echo gefunden zu haben. Neuere Arbeiten kommen jedoch zu dem Ergebnis, dass es keine statistisch signifikanten Belege für solche Echos in den Daten gibt.