Note on the Pure State of Old Black Holes in Some Models of Asymptotically Flat Quantum Gravity

Schwarze Löcher spuken der Vorstellungskraft von Physikern schon lange – nicht nur wegen ihrer furchterregenden Schwerkraft, sondern wegen eines tiefen Widerspruchs im Herzen der Funktionsweise des Universums. Auf der einen Seite steht die Allgemeine Relativitätstheorie, die Gravitation als eine glatte Krümmung von Raum und Zeit beschreibt. Auf der anderen Seite steht die Quantenmechanik, das Regelwerk der winzigen Welt von Atomen und Teilchen, das darauf besteht, dass Informationen niemals wirklich verloren gehen können. Wenn ein Schwarzes Loch entsteht und schließlich verdampft, scheinen diese beiden Theorien zu kollidieren. Wenn ein Schwarzes Loch Materie verschlingt und dann verschwindet, was geschieht mit der Information über diese Materie? Verschwindet sie, was die Gesetze der Quantenmechanik verletzen würde, oder entkommt sie, vielleicht auf eine Weise, die das glatte Gefüge der Raumzeit direkt am Rand des Lochs zerstört? Dieser Rand, bekannt als Ereignishorizont, ist zum Schauplatz einer heftigen Debatte geworden. Einige Physiker argumentieren, dass der Horizont ein Ort der Ruhe ist, an dem ein Beobachter nichts Ungewöhnliches spüren würde. Andere, die vor dem Informationsrätsel stehen, haben eine „Firewall“ vorgeschlagen – eine sengende Wand aus Energie, die alles verbrennen würde, was versucht, die Schwelle zu überqueren. Die Frage betrifft nicht nur Schwarze Löcher; es geht darum, ob unser derzeitiges Verständnis der Realität, insbesondere die Vorstellung, dass der Raum mit glatten Energiefeldern gefüllt ist, tatsächlich korrekt ist.

In einem kürzlich erschienenen Paper wirft der theoretische Physiker Tom Banks einen kritischen Blick auf dieses Problem, indem er sich von der komplexen Mathematik Schwarzer Löcher in gekrümmten Räumen entfernt und sie durch die Linse einfacherer, fundamentalerer Modelle untersucht. Er untersucht zwei spezifische Rahmenbedingungen, in denen die Gravitation aus dem Verhalten von Quantenteilchen hervorgeht, statt selbst eine fundamentale Kraft zu sein. Ein Modell ist eine Variation einer Theorie über Strings in zwei Dimensionen, während das andere aus einer Theorie der elfdimensionalen Supergravitation stammt. In beiden Fällen versuchen die Forscher nicht, ein Schwarzes Loch zu nehmen und es in ihre Gleichungen einzupassen. Stattdessen bauen sie das Schwarze Loch von Grund auf neu auf, indem sie die Werkzeuge der gewöhnlichen Quantenmechanik nutzen, um eine Sammlung von Teilchen zu einem stabilen, hochenergetischen Zustand zusammenzufügen, der sich exakt wie ein Schwarzes Loch verhält. Diese Zustände sind keine glatten, leeren Hohlräume mit einer mysteriösen Oberfläche; sie sind komplexe, chaotische gebundene Zustände, vergleichbar mit einem dicht gepackten Cluster von Teilchen, die durch ihre eigenen Wechselwirkungen zusammengehalten werden.

Wenn Banks diese konstruierten Schwarzen Löcher analysiert, stellt er fest, dass das berühmte „Firewall“-Paradoxon schlichtweg nicht existiert. Die Verwirrung entsteht dadurch, dass Physiker versucht haben, das Innere dieser Objekte mit der Sprache der Quantenfeldtheorie zu beschreiben, die davon ausgeht, dass der Raum mit glatten, kontinuierlichen Feldern gefüllt ist. In den Modellen, die Banks untersucht, ist diese Annahme falsch. Die Teilchen, aus denen das Schwarze Loch besteht, sind nicht in einem glatten Feld nahe dem Horizont verteilt; sie sind diskrete Bestandteile eines einzigen, riesigen Quantenobjekts. Wenn das Schwarze Loch verdampft, tut es dies nicht, indem es Teilchen von einer mysteriösen Oberfläche emittiert, sondern indem es langsam einzelne Stücke seiner selbst freigibt, ganz ähnlich wie ein Tropfen Wasser, der aus einer Pfütze verdampft. Diese freigesetzten Teilchen sind mit dem verbleibenden Cluster verschränkt, was bedeutet, dass ihre Quantenzustände miteinander verknüpft sind, aber diese Verbindung ändert sich schnell und chaotisch, während der Cluster sich weiterentwickelt.

Das Paper argumentiert, dass die Idee einer „Firewall“ ein Missverständnis ist, das durch die Verwendung der falschen Art von Mathematik entstanden ist. In diesen Modellen gibt es keinen plötzlichen, gewaltigen Bruch in den Gesetzen der Physik am Rand des Schwarzen Lochs. Stattdessen ist der Übergang vom Schwarzen Loch zur Außenwelt eine Frage der Perspektive. Für einen Beobachter in der Ferne sieht das Schwarze Loch wie ein thermisches Objekt aus, das Wärme abstrahlt. Für den Beobachter innerhalb des komplexen Quantensystems ist es einfach eine Sammlung von Teilchen, die in einem chaotischen Tanz interagieren. Der „Horizont“ ist keine physische Barriere, an der die Raumzeit zerreißt; er ist lediglich eine Grenze, an der sich die Beschreibung des Systems von einer Sammlung gebundener Teilchen zu freibeweglicher Strahlung verschiebt. Die Verschränkung zwischen der Strahlung und dem verbleibenden Schwarzen Loch ist real, aber es handelt sich nicht um die Art von statischer, unendlicher Verbindung, die zu Paradoxien führt. Es ist eine dynamische, flüchtige Verbindung, die verblasst, während das System seine Information streut.

Banks kommt zu dem Schluss, dass das Standardbild eines Schwarzen Lochs mit seinem glatten Ereignishorizont und den damit verbundenen Divergenzen in der Energie eine Illusion ist, die durch die Anwendung der falschen Werkzeuge auf das Problem entstanden ist. Die Modelle, die er untersucht, zeigen, dass Schwarze Löcher einfach komplexe Quantenzustände sind, die zufällig dieselbe Größe, Energie und Entropie besitzen wie die durch Einsteins Gleichungen vorhergesagten Schwarzen Löcher. Sie besitzen keine spezielle, singuläre Oberfläche, an der die Gesetze der Physik zusammenbrechen. Die Lösung des Informationsparadoxons liegt daher nicht darin, eine Firewall oder einen neuen Mechanismus zu erfinden, um die Information zu retten, sondern darin, zu akzeptieren, dass die Beschreibung der Quantenfeldtheorie des Raums nahe einem Schwarzen Loch grundlegend falsch ist. Das Universum benötigt keine dramatische, gewaltsame Lösung für das Problem Schwarzer Löcher; es erfordert lediglich, dass wir aufhören anzunehmen, dass der Raum an den Stellen glatt und kontinuierlich ist, an denen wir noch nie hineinsehen konnten. Das Schwarze Loch ist kein Monster mit einem Geheimnis, noch ist es ein Rätsel mit einer versteckten Falltür. Es ist ein komplexes, sich entwickelndes System, das sich exakt so verhält, wie die Quantenmechanik es verlangt, ohne die Notwendigkeit jeglicher exotischer neuer Physik an seinem Rand.