Schwarze Löcher: Informationsparadoxon gelöst?

Seit Jahrzehnten rätseln Physiker über eines der tiefsten Probleme der modernen Wissenschaft: das „Informationsparadoxon Schwarzer Löcher“. Eine neue theoretische Studie schlägt nun eine mögliche Lösung vor – und könnte gleichzeitig ein weiteres großes Rätsel der Physik lösen, den Ursprung der Masse von Elementarteilchen.

Das Paradoxon geht auf Arbeiten von Stephen Hawking in den 1970er Jahren zurück. Mit semi-klassischen Berechnungen zeigte Hawking, dass Schwarze Löcher nicht vollständig schwarz sind. Sie senden eine schwache Strahlung aus, die ihnen nach und nach Energie entzieht, sodass sie schrumpfen und schließlich verschwinden. Dieses Ergebnis schuf ein ernstes Problem: Nach der Quantenmechanik darf Information nicht vernichtet werden. Doch wenn ein Schwarzes Loch vollständig verdampft, scheint alle Information über die Materie, die hineingefallen ist, zu verschwinden. Dieser Widerspruch wurde als Informationsparadoxon Schwarzer Löcher bekannt.

Eine neue Studie unter der Leitung von Richard Pinčák, veröffentlicht in der Fachzeitschrift General Relativity and Gravitation, schlägt einen anderen Ausgang vor. Die Forscher vermuten, dass die Antwort in der Geometrie eines höherdimensionalen Universums liegen könnte. Sie untersuchten eine Version der Gravitation, die als Einstein-Cartan-Theorie bekannt ist, formuliert in sieben Dimensionen auf einer mathematischen Struktur namens G2-Mannigfaltigkeit mit Torsion. Anders als Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die die Raumzeit als etwas beschreibt, das sich krümmen kann, erlaubt die Einstein-Cartan-Theorie auch eine Verdrehung der Raumzeit – die sogenannte Raumzeit-Torsion.

Dem Modell zufolge wird die Torsion besonders wichtig bei den extremen Dichten der Planck-Skala. Unter diesen Bedingungen erzeugt sie eine abstoßende Kraft, die dem Gravitationskollaps entgegenwirkt. Die Forscher fanden heraus, dass dieser abstoßende Effekt das letzte Stadium der Hawking-Verdampfung stoppen kann. Anstatt vollständig zu verschwinden, würde ein Schwarzes Loch einen stabilen „Überrest“ mit einer vorhergesagten Masse von etwa 9 × 10⁻⁴¹ Kilogramm hinterlassen.

Wenn ein Schwarzes Loch nie vollständig verschwindet, stellt sich die nächste Frage: Was passiert mit der darin enthaltenen Information? Die Forscher schlagen vor, dass der Überrest als langfristiger Informationsspeicher dient. In ihrem Rahmen wird die Information durch ein Spektrum von „quasi-normalen Moden“ gespeichert, die mit der Struktur des Überrests verbunden sind. Genauer gesagt wird Quanteninformation in langlebigen „Schwingungen“ des Torsionsfeldes kodiert, die in der Geometrie des Überrests existieren. Ihre Berechnungen deuten darauf hin, dass ein Überrest, der von einem Schwarzen Loch mit der Masse der Sonne hinterlassen wird, etwa 1,515 × 10⁷⁷ Qubits an Information speichern könnte – genau genug, um die Information zu bewahren, die zur Lösung des Paradoxons nötig ist.

Die Studie geht über Schwarze Löcher hinaus und berührt auch die Teilchenphysik. Die Forscher argumentieren, dass die Reduktion der Geometrie von sieben auf vier Dimensionen – die Raumzeit, die wir erleben – natürlich die elektroschwache Skala von etwa 246 GeV erzeugt. Diese Energieskala ist eng mit dem Higgs-Feld verbunden, das Elementarteilchen ihre Masse verleiht. In dem Modell wird der Vakuumerwartungswert des Torsionsfeldes dynamisch mit der elektroschwachen Skala identifiziert. Derselbe geometrische Mechanismus, der verhindert, dass Schwarze Löcher vollständig verdampfen, und der Quanteninformation bewahrt, könnte also auch eine geometrische Erklärung für das Massenhierarchie-Problem liefern, eine der langjährigen Herausforderungen der Teilchenphysik.

Wenn zusätzliche Dimensionen eine so fundamentale Rolle spielen, warum haben Wissenschaftler sie dann nicht direkt beobachtet? Laut der Studie hätten die mit diesen Dimensionen verbundenen Teilchen (Kaluza-Klein-Anregungen) Massen von etwa 8,6 × 10¹⁵ GeV – eine Energieskala, die etwa sieben Größenordnungen über dem liegt, was der Large Hadron Collider (LHC) erreichen kann. Die Autoren betonen jedoch, dass die Theorie nicht unmöglich zu testen ist. Da der Rahmen auf spezifischen geometrischen Beziehungen aufbaut, liefert er konkrete Vorhersagen, die möglicherweise durch astronomische Beobachtungen überprüft werden können. Eine Möglichkeit sind die stabilen Schwarze-Loch-Überreste selbst. Die vorhergesagten Überreste (9 × 10⁻⁴¹ kg) könnten zur Dunklen Materie beitragen. Der Nachweis der Gravitationseffekte dieser vorgeschlagenen „Planck'schen Relikte“ würde direkte Unterstützung für die Theorie liefern. Das Modell macht auch unverwechselbare Vorhersagen darüber, wie Information in den „Schwingungen“ (quasi-normalen Moden) der Überreste kodiert ist, was eine mathematische Signatur liefert, die es von konkurrierenden Ideen unterscheidet. Darüber hinaus sind die extrem hohen Energieskalen charakteristisch für das frühe Universum. Das bedeutet, dass Spuren der vorgeschlagenen siebendimensionalen Geometrie möglicherweise im kosmischen Mikrowellenhintergrund oder in primordialen Gravitationswellen erhalten geblieben sind.

Indem die Studie Schwarze Löcher, Quanteninformation, zusätzliche Dimensionen und das Higgs-Feld in einem einzigen Rahmen verbindet, bietet sie einen ambitionierten Versuch, mehrere herausragende Probleme der Physik anzugehen. Sollte sich die Idee als richtig erweisen, müsste das Informationsparadoxon Schwarzer Löcher möglicherweise keine Revision der Quantenmechanik erfordern. Stattdessen könnte es auf ein tieferes Verständnis der Realität hinweisen, das in einer siebendimensionalen Struktur der Raumzeit verwurzelt ist.