Fast einen Monat nachdem Stephen Hawking und seine Kollegen ihre neue Theorie über Schwarze Löcher veröffentlicht haben (siehe auch dieses Interview), sind sich Physiker immer noch uneinig darüber, was sie davon halten sollen. Einige sehen in der Arbeit einen viel versprechenden Ansatz, um endlich das Rätsel um das Schwarze-Loch-Informationsparadoxon zu lösen, das Hawking bereits vor mehr als 40 Jahren identifiziert hat. "Ich glaube es herrscht eine allgemeine Aufregung, da wir nun auf eine neue Art und Weise die Dinge betrachten und dadurch bisherige Blockaden lösen können", sagt Andrew Strominger, Physiker an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, und ein Koautor der aktuellen Veröffentlichung.

Strominger präsentierte die Ergebnisse am 18. Januar in einem überfüllten Saal an der University of Cambridge, Großbritannien, wo auch Hawking forscht. Andere hingegen sind sich nicht sicher, ob der Ansatz das Paradoxon tatsächlich lösen kann. Gleichwohl gestehen sie ein, dass die Arbeit viele verschiedene Probleme in der Physik beleuchtet. Mitte der 1970er Jahre entdeckte Hawking, dass Schwarze Löcher nicht wirklich schwarz sind, da sie Strahlungen emittieren. Gemäß der Quantenphysik entstehen auf Grund von Quantenfluktuationen Paare aus Teilchen (Teilchen und zugehöriges Antiteilchen) knapp hinter dem Ereignishorizont – also gewissermaßen dem "point of no return" des Schwarzen Lochs. Einige dieser Teilchen entweichen aber dem Sog des Schwarzes Lochs und nehmen ihm einen Teil seiner Masse weg, wodurch das Schwarze Loch langsam schrumpft und schließlich vollständig verschwindet.

Unterschätzte Fähigkeiten des Vakuums

Bereits 1976 wies Hawking in einer Veröffentlichung darauf hin, dass die ausströmenden Teilchen – mittlerweile als Hawking-Strahlung bekannt – völlig zufällige Eigenschaften haben müssten. Folglich wären Informationen über Dinge, die von dem Schwarzen Loch aufgesogen wurden, für immer verloren, sobald das Schwarze Loch verschwände. Aber diese Schlussfolgerung kollidiert mit den bekannten Gesetzen der Physik. Sie besagen, dass Information, etwa über die Energie, konserviert werden muss, woraus das Paradoxon resultiert. "Diese Veröffentlichung sorgte unter den theoretischen Physikern für mehr schlaflose Nächte als jede andere Arbeit in der Geschichte", sagte Strominger in seiner Rede. "Der Fehler war", erklärte er, "dass man das Potenzial des Vakuums, Informationen zu speichern, ignoriert hat." Zusammen mit ihrem dritten Autor Malcolm Perry, ebenfalls von der University of Cambridge, führen Strominger und Hawking nun "softe" oder "weiche" Partikel ein. Dabei handelt es sich um energiearme Versionen von Photonen oder um hypothetische Teilchen wie Gravitonen und andere Partikel. Bis vor Kurzem wurden diese hauptsächlich verwendet, um Berechnungen in der Teilchenphysik durchzuführen. Aber die Autoren weisen darauf hin, dass das Vakuum, in dem sich ein Schwarzes Loch befindet, nicht frei sein müsse von Teilchen – lediglich von Energie. Daher können softe Teilchen in einem Nullenergiezustand vorhanden sein.

Daraus folge, wie sie schreiben, dass alles, was in ein Schwarzes Loch falle, einen Abdruck auf solchen soften Teilchen hinterlassen würde. "Wenn man sich in einem Vakuum befindet und atmet oder irgendetwas anderes tut, dann scheucht man eine Menge softer Gravitonen auf", sagte Strominger. Nach solch einer Störung hat sich das Vakuum um das Schwarze Loch geändert, und dadurch wurde die Information gespeichert. In der Publikation schlagen die Autoren einen Mechanismus vor, der diese Informationen an das Schwarze Loch übertragen könnte. Damit wäre das Paradoxon gelöst. Um die Daten zu kodieren, benutzen die Autoren eine quantenmechanische Beschreibung des Ereignishorizonts – Experten bekannt unter der skurrilen Bezeichnung "black hole hair" ("Haare des Schwarzen Lochs").

Knifflige Informationsübertragung

Diese Theorie ist jedoch umstritten. Abhay Ashtekar, der über Gravitation an der Pennsylvania State University in University Park forscht, sagt, dass ihn die Art und Weise, wie die Information auf das Schwarze Loch übertragen werden soll, nicht überzeuge. Auch die Autoren räumen ein, dass sie noch nicht wüssten, wie die Information anschließend auf die Hawking-Strahlung übertragen werde. Das wäre jedoch ein weiterer notwendiger Schritt. Steven Avery, ein theoretischer Physiker an der Brown University in Providence, Rhode Island, ist ebenfalls skeptisch. Er sei sich nicht sicher, ob der Ansatz das Paradoxon lösen könne, jedoch sei er gespannt darauf, wie nun die Bedeutung von soften Partikeln zunähme. Er merkt an, dass Strominger festgestellt hätte, wie softe Partikel subtile Symmetrien der bekannten physikalischen Kräfte offenbarten. "Einige von denen waren bekannt, einige davon waren neu."

Manche Wissenschaftler sind optimistischer, was die Perspektiven der Methode angeht, das Informationsparadoxon zu lösen. Eine davon ist die Physikerin Sabine Hossenfelder von Frankfurt Institute for Advanced Studies in Deutschland. Sie glaubt, dass die Ergebnisse über die soften Haare zusammen mit einigen ihrer eigenen Arbeiten eine relativ neue Kontroverse über Schwarze Löcher, das so genannte Firewall-Problem, beruhigen könnten. Dabei geht es um die Frage, ob die Bildung von Hawking-Strahlung dazu führt, dass der Ereignishorizont sehr heiß wird. Das wäre jedoch im Widerspruch zu Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Ein Betrachter, der durch den Horizont fallen würde, sähe nämlich keine plötzliche Veränderung der Umwelt. "Wenn das Vakuum verschiedene Zustände hat", sagt Hossenfelder, "dann kann Information in die Strahlung übertragen werden, ohne dass Energie im Ereignishorizont deponiert wird. Folglich gäbe es keine Firewall."