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mit großem Interesse habe ich den Artikel "Am Ende der Zeit - Nobelpreis für Phyik 2020" von Robert Gast in SuW 12/2020 gelesen. Auf Seite 25 ist, wie schon öfter in SuW, von der Hawking-Strahlung die Rede, dessen Existenz der Physiker Stephen Hawking theoretisch postulierte. Meistens werden die quantenmechanischen Vorgänge der Hawking-Strahlung so erklärt, dass ein Partner eines spontan entstandenen Teilchen-Antiteilchen-Paares ins Loch fällt und der andere ins Weltall entkommt (So steht es auch im Verweis im Artikel auf die Expertenantwort in SuW 10/2019, S. 8). Wie kann es so aber dazu kommen, dass Schwarze Löcher durch Hawking-Strahlung Masse verlieren? Statistisch gesehen müssten genauso viele Teilchen wie Antiteilchen in das Schwarze Loch fallen und die Masse deshalb konstant bleiben.
Ich würde mich freuen, wenn sie mir erläutern könnten wo mein Denkfehler liegt. Danke im Voraus!
Stellungnahme der Redaktion
Herr Flunger hat zunächst einmal recht mit seiner Aussage, dass in diesem Bild ebenso viele Teilchen wie Antiteilchen in das Loch fallen (bzw. umgekehrt dann also auch das Loch verlassen). Bei Photonen, die die meiste Zeit den Löwenanteil der Hawking-Strahlung ausmachen, sind die Teilchen und Antiteilchen übrigens identisch.
Aber das hat nichts mit dem Massenverlust zu tun, denn die Massen von Teilchen und Antiteilchen sind jeweils gleich. Was aber aus dem Schwarzen Loch herauskommt, ist jedenfalls immer etwas, das positive Gesamtenergie mit sich trägt, egal ob Elektron, Positron oder Photon. Und diese Energie muss nach dem Grundsatz der Energie-Erhaltung von irgendwo herkommen.
Sie kommt aus der Energie des anderen Teilchens, das hineinfällt! Das besitzt dann in diesem Bild nämlich eine negative Gesamtenergie, also - klassisch ausgedrückt - seine (negative) potentielle Energie ist größer als die Summe aus seiner (positiven) kinetischen oder elektromagnetischen Energie plus eventuell seiner ebenfalls positiven Ruhe-Energie (=Ruhemasse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat), wenn diese nicht null ist. Also wird dem Schwarzen Loch eine positive Energie entzogen und eine negative hinzugefügt. Gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie wird ihm entsprechend eine negative Masse hinzugefügt.
Wenn aus einem gemäß der Quantenphysik spontan entstandenen (virtuellen) Teilchenpaar ein reelles Paar werden soll, dann muss normalerweise zunächst einmal die Energie der beiden reellen Teilchen von irgendwoher aufgebracht werden. Das geschieht stets durch die Begegnung des virtuellen Paars mit (mindestens) einem weiteren (reellen!) Teilchen, das dabei die entsprechende Energie verliert. Hier im Falle der Hawking-Strahlung wird diese Rolle von dem Loch bzw. dessen Gravitationsfeld übernommen, und eines der beiden virtuellen Teilchen wird dem Rest des Universums sofort wieder entzogen.
U. Bastian
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Hawking-Strahlung
05.12.2020, Jonathan Flunger, DossenheimLiebe Redaktion,
mit großem Interesse habe ich den Artikel "Am Ende der Zeit - Nobelpreis für Phyik 2020" von Robert Gast in SuW 12/2020 gelesen. Auf Seite 25 ist, wie schon öfter in SuW, von der Hawking-Strahlung die Rede, dessen Existenz der Physiker Stephen Hawking theoretisch postulierte. Meistens werden die quantenmechanischen Vorgänge der Hawking-Strahlung so erklärt, dass ein Partner eines spontan entstandenen Teilchen-Antiteilchen-Paares ins Loch fällt und der andere ins Weltall entkommt (So steht es auch im Verweis im Artikel auf die Expertenantwort in SuW 10/2019, S. 8). Wie kann es so aber dazu kommen, dass Schwarze Löcher durch Hawking-Strahlung Masse verlieren? Statistisch gesehen müssten genauso viele Teilchen wie Antiteilchen in das Schwarze Loch fallen und die Masse deshalb konstant bleiben.
Ich würde mich freuen, wenn sie mir erläutern könnten wo mein Denkfehler liegt. Danke im Voraus!
Herr Flunger hat zunächst einmal recht mit seiner Aussage, dass in diesem Bild ebenso viele Teilchen wie Antiteilchen in das Loch fallen (bzw. umgekehrt dann also auch das Loch verlassen). Bei Photonen, die die meiste Zeit den Löwenanteil der Hawking-Strahlung ausmachen, sind die Teilchen und Antiteilchen übrigens identisch.
Aber das hat nichts mit dem Massenverlust zu tun, denn die Massen von Teilchen und Antiteilchen sind jeweils gleich. Was aber aus dem Schwarzen Loch herauskommt, ist jedenfalls immer etwas, das positive Gesamtenergie mit sich trägt, egal ob Elektron, Positron oder Photon. Und diese Energie muss nach dem Grundsatz der Energie-Erhaltung von irgendwo herkommen.
Sie kommt aus der Energie des anderen Teilchens, das hineinfällt! Das besitzt dann in diesem Bild nämlich eine negative Gesamtenergie, also - klassisch ausgedrückt - seine (negative) potentielle Energie ist größer als die Summe aus seiner (positiven) kinetischen oder elektromagnetischen Energie plus eventuell seiner ebenfalls positiven Ruhe-Energie (=Ruhemasse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat), wenn diese nicht null ist. Also wird dem Schwarzen Loch eine positive Energie entzogen und eine negative hinzugefügt. Gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie wird ihm entsprechend eine negative Masse hinzugefügt.
Wenn aus einem gemäß der Quantenphysik spontan entstandenen (virtuellen) Teilchenpaar ein reelles Paar werden soll, dann muss normalerweise zunächst einmal die Energie der beiden reellen Teilchen von irgendwoher aufgebracht werden. Das geschieht stets durch die Begegnung des virtuellen Paars mit (mindestens) einem weiteren (reellen!) Teilchen, das dabei die entsprechende Energie verliert. Hier im Falle der Hawking-Strahlung wird diese Rolle von dem Loch bzw. dessen Gravitationsfeld übernommen, und eines der beiden virtuellen Teilchen wird dem Rest des Universums sofort wieder entzogen.
U. Bastian