Hawking Strahlung - Warum das Schwärzeste im Universum leuchtet

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Kennst du schon unsere anderen Schlafreisereien wie Schlafreise durch vergessene Welten, heute nehmen wir dich mit zu einer der elegantesten und rätselhaftesten Entdeckungen der theoretischen Physik.

0:22 Eine Entdeckung, die unser Verständnis von schwarzen Löchern revolutionierte und zeigte, dass selbst die dunkelsten Objekte im Universum letztendlich verschwinden müssen. Wir sprechen von der Hawking Strahlung, Lehne dich zurück, schließe die Augen und lass dich treiben an den Rand eines schwarzen Lochs, wo Quantenmechanik und Gravitation auf spektakuläre Weise zusammentreffen. Schwarze Löcher galten lange als absolute Endpunkte. Objekte, aus denen nichts entkommen kann, der Ereignishorizont, diese unsichtbare Grenze um ein schwarzes Loch, war eine Einbahnstraße ins Nichts. Was Hineinfällt, ist für immer verloren, keine Information, kein Licht, keine Materie kann zurückkehren, so dachte man jedenfalls, bis 1974.

1:18 In jenem Jahr veröffentlichte der britische Physiker Stephen Hawking eine bahnbrechende Arbeit mit dem Titel Black Hole Explosions. Er hatte etwas Erstaunliches entdeckt, Schwarze Löcher sind nicht völlig schwarz, sie strahlen, sie verlieren langsam an Masse und über unvorstellbar lange Zeiträume verdampfen sie vollständig.

1:43 Diese Erkenntnis war revolutionär. Sie verband zum ersten Mal Quantenmechanik, Thermodynamik und Gravitationstheorie in einer einheitlichen Beschreibung. Und sie zeigte, dass Schwarze Löcher eine Temperatur haben, Entropie besitzen und den Gesetzen der Thermodynamik gehorchen, genau wie jedes andere Objekt im Universum.

2:08 Um Hawking Strahlung zu verstehen, müssen wir über Quantenfluktuationen sprechen. Die Quantenmechanik lehrt uns, dass das Vakuum des Weltraums nicht wirklich leer ist. Selbst im perfektesten Vakuum, wo keine Atome, keine Photonen, nichts messbares existiert, brodelt es auf quantenmechanischer Ebene. Ständig entstehen virtuelle Teilchenpaare aus dem nichts ein Teilchen und sein Antiteilchen, ein Elektron und ein Positron. Ein Quark und ein Antiquark, ein Photon und ein weiteres Photon. Diese Paare existieren nur für winzigste Sekunden, Bruchteile, typischerweise 10, hoch -21 Sekunden oder noch kürzer, dann vernichten sie sich gegenseitig wieder, verschwinden ins Nichts, als hätten sie nie existiert.

3:03 Diese virtuellen Teilchen sind keine Spekulation, sie haben messbare Effekte. Der Kasimir Effekt, bei dem 2 metallische Platten im Vakuum eine winzige anziehende Kraft erfahren, wird durch virtuelle Teilchen verursacht. Die Lamp Verschiebung in Wasserstoffatomen wird teilweise durch virtuelle Photonen erklärt, virtuelle Teilchen sind Real in ihren Auswirkungen, auch wenn sie selbst nur flüchtige Quantenfluktuationen sind. Normalerweise entstehen und vergehen diese Teilchenpaare, ohne Spuren zu hinterlassen, aber am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs passiert etwas Außergewöhnliches. Stell dir vor, ein virtuelles Teilchenpaar entsteht genau am Ereignishorizont, ein Teilchen entsteht knapp innerhalb des Horizonts, das andere knapp

3:59 außerhalb, das innere Teilchen wird sofort vom Schwarzen Loch verschluckt, es fällt hinein und kann nie zurück das. Das äußere Teilchen hat jedoch eine Chance zu entkommen. Normalerweise würden beide Teilchen sich nach kurzer Zeit wieder vernichten, aber wenn sie durch den Ereignishorizont getrennt werden, ist das unmöglich.

4:23 Das äußere Teilchen kann nicht mehr zu seinem Partner zurück, es wird real, es entkommt als echte Strahlung ins Universum. Aber woher kommt die Energie für dieses nun reale Teilchen? Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen die Antwort, sie kommt aus dem Schwarzen Loch selbst. Das hineingefallene Teilchen hatte negative Energie bezogen auf den äußeren Beobachter, wenn ein Objekt mit negativer Energie in ein schwarzes Loch fällt, reduziert es dessen Masse.

5:01 Das schwarze Loch bezahlt sozusagen für das entkommene Teilchen. Das ist Hawking Strahlung, ein kontinuierlicher, sehr langsamer Prozess, bei dem Schwarze Löcher, Teilchen und Photonen emittieren und dabei an Masse verlieren. Sie verdampfen die Hawking Strahlung hat eine charakteristische Temperatur, diese Temperatur ist umgekehrt proportional zur Masse des Schwarzen Lochs, die Formel ist elegant.

5:31 Die Hawking Temperatur ist ungefähr das Plancksche Wirkungsquantum mal die Lichtgeschwindigkeit hoch 3 geteilt durch 8 pi, mal die gravitationskonstante, mal die Masse, mal die Boltzmann Konstante für ein stellares schwarzes Loch mit 10 Sonnenmassen beträgt die Hawking Temperatur etwa 6 milliardstel Kelvin.

5:55 Das ist unfassbar kalt, kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung, die das gesamte Universum durchdringt und etwa 2,7 Kelvin beträgt. Ein solches schwarzes Loch absorbiert tatsächlich mehr Strahlung aus dem Universum, als es durch Hawking Strahlung abgibt, es wächst anstatt zu schrumpfen, aber je kleiner ein schwarzes Loch wird, desto heißer wird es. Ein schwarzes Loch mit der Masse eines Berges, etwa eine Milliarde Tonnen, hätte eine Temperatur von etwa 100 Milliarden Kelvin.

6:33 Das ist heißer als das Innere der heißesten Sterne, ein schwarzes Loch von der Masse eines großen Asteroiden, etwa eine Billion Kilogramm, würde eine Temperatur von 100 Billionen Kelvin haben und würde hell im Gammastrahlungsbereich leuchten. Die Lebensdauer eines schwarzen Lochs durch Hawking Verdampfung ist proportional zur dritten Potenz seiner Masse. Ein schwarzes Loch von einer sonnenmasse würde etwa 10 hoch 67 Jahre brauchen, um vollständig zu verdampfen, das ist eine 1 mit 67 Nullen unvorstädteleichbar länger als das aktuelle Alter des Universums von nur 13,8 Milliarden Jahren.

7:22 Ein supermassereiches schwarzes Loch wie Sagittarius A Stern im Zentrum unserer Galaxis mit etwa 4000000 Sonnenmassen würde 10 hoch ist schließlich 98 Jahre brauchen zum Vergleich alle Sterne im Universum werden in etwa 100 Billionen Jahren erloschen sein, Galaxien werden sich aufgelöst haben, Protonen selbst könnten zerfallen sein und diese schwarzen Löcher werden immer noch da sein. Langsam verdampfend aber schließlich in der unendlichen Zukunft wird auch das letzte schwarze Loch verschwinden. Und zwar spektakulär, wenn ein schwarzes Loch kleiner wird, wird seine Temperatur höher, was bedeutet, dass es schneller Masse verliert.

8:09 Dieser Prozess beschleunigt sich in den letzten Momenten seiner Existenz, verdampft ein schwarzes Loch in einem gewaltigen Energieausbruch. Ein schwarzes Loch, das die Endphase seiner Verdampfung erreicht, würde in Sekundenbruchteilen explodieren und dabei Energie freisetzen, die einer großen thermonuklearen Bombe entspricht.

8:33 Kleine Primordiale, schwarze Löcher, schwarze Löcher, die möglicherweise kurz nach dem Urknall entstanden sind, könnten heute das Ende ihrer Lebensdauer erreichen und als Gammastrahlenausbrüche sichtbar sein. Astronomen suchen nach diesen Signalen. Bisher wurde keine eindeutige Hawking Explosion beobachtet.

8:56 Wenn Primordiale schwarze Löcher existieren und heute verdampfen, sollten wir ihre charakteristische Strahlungssignatur detektieren können. Das Fehlen solcher Beobachtungen setzt Grenzen dafür, wie viele kleine schwarze Löcher im frühen Universum entstanden sein können. Die Hawking Strahlung hat tiefgreifende Implikationen für die theoretische Physik.

9:21 Eine der größten ist das Informationsparadoxon die Quantenmechanik besagt, dass Information nie verloren gehen kann, wenn du ein Buch verbrennst, ist die Information theoretisch noch in der Anordnung der Asche und der abgestrahlten Wärme kodiert, nichts geht wirklich verloren. Aber was passiert, wenn du das Buch in ein schwarzes Loch wirfst? Es verschwindet hinter dem Ereignishorizont, und wenn das schwarze Loch dann durch Hawking Strahlung verdampft, wird diese Strahlung als thermische Strahlung beschrieben, völlig zufällig, ohne Information über das, was hineingefallen ist. Die Information scheint verloren. Das ist ein fundamentaler Widerspruch. Entweder ist die Quantenmechanik

10:12 falsch und Information kann verloren gehen oder die allgemeine Relativitätstheorie ist unvollständig oder wir verstehen etwas Grundlegendes falsch. Stephen Hawking selbst debattierte dieses Problem jahrzehntelang. Ursprünglich argumentierte er, dass Information tatsächlich verloren geht. Später revidierte er seine Meinung und schlug vor, dass Information auf subtile Weise in der Hawking Strahlung codiert sein könnte. In winzigen Quantenkorrelationen, die erst sichtbar werden, wenn man die gesamte Strahlungshistorie des Schwarzen Lochs betrachtet.

10:50 Andere Physiker schlugen die holographische Prinzip vor, die gesamte Information über alles, was in ein schwarzes Loch fällt. Könnte auf dem zweidimensionalen Ereignishorizont codiert sein wie ein Hologramm, wenn das schwarze Loch verdampft, wird diese Information langsam in der Hawking Strahlung freigesetzt.

11:13 Die Debatte ist noch nicht abgeschlossen, das Informationsparadoxon bleibt eines der tiefsten ungelösten Probleme in der theoretischen Physik. Es deutet darauf hin, dass wir eine Fundamentalere Theorie brauchen, eine Theorie der Quantengravitation, die Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie vereint die Hawking Strahlung selbst wurde nie direkt beobachtet und das wird wahrscheinlich auch nie passieren, die Strahlung ist bei allen astrophysikalischen schwarzen Löchern viel zu schwach. Um mit aktueller oder absehbarer Technologie detektiert zu werden, ein stellares schwarzes Loch emittiert nur etwa 10 hoch -28 Watt.

12:00 Das ist weniger als ein Billionstel eines Billionstel eines billionstel Watt. Zum Vergleich eine Glühbirne emittiert etwa 60 Watt. Aber obwohl wir Hawking Strahlung nicht direkt beobachten können, ist sie theoretisch fest etabliert. Die mathematische Herleitung ist rigoros und folgt zwingend aus den Prinzipien der Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit.

12:29 Fast alle Physiker akzeptieren, dass Hawking Strahlung Real sein muss, es gibt sogar experimentelle Analoga. Wissenschaftler haben akustische Schwarze Löcher in strömenden Flüssigkeiten erzeugt. Regionen, aus denen Schallwellen nicht entkommen können. Diese zeigen ein Analogon zur Hawking Strahlung spontane Emission von Schallquanten am akustischen Horizont in Bose Einstein Kondensaten wurden ähnliche Effekte beobachtet diese Experimente bestätigen indirekt die Prinzipien, auf denen Hawking Strahlung basiert.

13:08 Die Hawking Strahlung verbindet auch Schwarze Löcher mit Thermodynamik auf fundamentale Weise. Jakob Bekenstein hatte bereits vor Hawking vorgeschlagen, dass schwarze Löcher eine Entropie haben sollten, proportional zur Fläche ihres Ereignishorizontes diese Bekenstein Hawking Entropie ist riesig. Ein stellares schwarzes Loch hat mehr Entropie als alle Sterne, Planeten und Galaxien zusammen in einem äquivalenten Volumen. Diese Entropie hat physikalische Bedeutung, sie misst die Anzahl der möglichen mikroskopischen Zustände, die dasselbe makroskopische schwarze Loch ergeben könnten, aber was sind diese mikroskopischen Zustände, wir wissen es nicht genau. Die Stringtheorie bietet einige

13:59 Antworten für bestimmte Typen von schwarzen Löchern, aber eine vollständige Beschreibung fehlt noch. Die Existenz einer Temperatur und Entropie bedeutet, dass schwarze Löcher den Gesetzen der Thermodynamik gehorchen, das erste Gesetz Energieerhaltung gilt, Änderungen in der Masse des Schwarzen Lochs entsprechen der hinzugefügten oder entfernten Energie. Das zweite Gesetz, die Entropie, nimmt immer zu, gilt ebenfalls, wenn etwas in ein schwarzes Loch fällt, steigt die Gesamtentropie des Universums.

14:39 Hawkings größte Einsicht war vielleicht, dass schwarze Löcher nicht außerhalb der normalen Physik stehen, sie sind extreme Objekte, ja, aber sie gehorchen denselben fundamentalen Gesetzen wie alles andere, sie haben Temperatur, Entropie. Sie können Energie abstrahlen, Sie sind nicht ewig selbst die dunkelsten Objekte im Universum unterliegen letztendlich dem Zerfall. In gewisser Weise ist das tröstlich, es bedeutet, dass nichts im Universum wirklich ewig ist. Sterne werden geboren und sterben, Galaxien entstehen und vergehen, selbst schwarze Löcher. Diese ultimativen kosmischen Gefängnisse verdampfen schließlich.

15:31 Das Universum hat keinen Zustand permanenter Stasis, alles verändert sich, alles entwickelt sich, alles bewegt sich einem Ende entgegen. Die fernen Zukunft des Universums in Billionen von Billionen von Jahren wird eine kalte, dunkle Ära sein, alle Sterne werden erloschen sein. Schwarze Löcher werden die letzten großen Strukturen sein und selbst diese werden langsam verdampfen.

16:02 Photon für Photon, bis schließlich nichts übrig bleibt als ein kaltes, Gleichförmiges Meer aus niederenergetischer Strahlung, ein Universum im thermodynamischen Gleichgewicht der Wärmetod aber das ist unvorstellbar weit entfernt. Im hier und jetzt nur 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall ist das Universum Jung und voller Energie.

16:28 Sterne leuchten, Galaxien kollidieren, Planeten umkreisen ihre Sonnen und auf mindestens einem dieser Planeten unserer Erde gibt es leben. Die Hawking Strahlung lehrt uns über die fundamentale Natur der Realität. Sie zeigt uns, dass Quantenmechanik und Gravitation auf tiefe Weise verbunden sind. Sie zeigt uns, dass Information und Entropie universelle Konzepte sind, sie zeigt uns die ultimative Vergänglichkeit aller Dinge, aber sie zeigt uns auch, wie kostbar der gegenwärtige Moment ist.

17:10 Wir leben in einer Ära, in der Sterne scheinen, in der Energie verfügbar ist, in der Komplexität existieren kann. Wir leben auf einem Planeten, der so fein abgestimmt ist, dass Leben entstehen und gedeihen konnte, ein Planet mit flüssigem Wasser, mit einer schützenden Atmosphäre, mit stabilen Bedingungen, über Milliarden von Jahren.

17:36 Wenn wir über schwarze Löcher nachdenken, die in unvorstellbarer Zukunft verdampfen, sollten wir auch an unsere eigene Welt denken. Eine Welt, die nicht ewig ist, aber die jetzt existiert, eine Welt, die wir kennen und verstehen können, eine Welt, die unsere Fürsorge verdient, während das Universum sich auf seinen langsamen Weg zum Wärmetod begibt, haben wir das Privileg.

18:06 Hier und jetzt zu existieren auf einer lebendigen Welt, in einer Ära, in der wir die Sterne erforschen, die Gesetze der Natur verstehen und über die tiefsten Geheimnisse des Kosmos nachdenken können. Gute Nacht und während du schläfst, denke daran, irgendwo im Universum verdampfen schwarze Löcher Photon für Photon in einem Prozess.

18:34 Der Billion von Jahren dauern wird aber hier auf unserer wunderbaren Erde hast du diesen. Einen kostbaren Moment, bewahre ihn.