An den Grenzen der Naturgesetze: Physiker erforschen, was mit der Information geschieht, die Schwarze Löcher verschlungen haben.
Leonard Susskind versucht, seiner Stimme einen drohenden Unterton zu geben. Aber sein verschmitzter Blick will nicht recht dazu passen. „Stephen ist der dickköpfigste Mensch im Universum”, sagt er. „Wir stimmen in vielen fundamentalen Fragen über Schwarze Löcher, Information und so weiter nicht überein. Manchmal hat er mich dazu gebracht, die Haare zu raufen und vor lauter Frust auszureißen – das Ergebnis sieht man. Ich kann versichern, dass mein Kopf voller Haare war, als wir vor zwei Jahrzehnten zu streiten begannen.” Das Gelächter der Zuhörer bestätigt, dass Susskind es nicht böse meint. „Ich kann auch sagen, dass Stephen von allen Physikern den stärksten Einfluss auf mich hatte”, fährt er fort. „Fast alles, was ich seit 1980 dachte, war in der einen oder anderen Weise eine Reaktion auf seine tief schürfende Frage über das Schicksal von Informationen, die in Schwarze Löcher fallen.” In seinem folgenden glänzenden Übersichtsvortrag, den Susskind auf dem hochkarätigen Symposium zu Stephen Hawkings 60. Geburtstag Anfang des Jahres hielt, verharmloste der Physikprofessor von der kalifornischen University of Stanford nichts. Was auf dem Spiel steht, ist tatsächlich nichts Geringeres als die grundlegendsten Naturgesetze: Wenn Schwarze Löcher unwiderruflich Informationen verschlucken, gibt es kein Halten mehr für sie wie für die gesamte Physik. Deshalb suchen Wissenschaftler – mitunter Haare raufend – nach einem Ausweg. „Schwarze Löcher haben keine Haare” – so heißt augenzwinkernd ein grundlegendes Theorem der Physik Schwarzer Löcher. Denn sie sehen alle aus wie kahl geschorene Soldaten in Uniform, nämlich völlig gleich: Außer Masse, Ladung und Drehimpuls haben die finsteren Gesellen keine Eigenschaften und können daher auch nicht verraten, was in ihnen verschwunden ist. Alles begann im August 1975. Stephen Hawking – mathematischer Physiker, körperlich schwerstbehinderter Bestseller- Autor, einer BBC-Umfrage zufolge der berühmteste zeitgenössische Wissenschaftler und nebenbei Inhaber des Lukasischen Lehrstuhls an der University of Cambridge, den einst Isaac Newton und Paul Dirac inne hatten – reichte damals den Artikel „The Breakdown of Physics in Gravitational Collapse” bei der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review” ein. Veröffentlicht wurde der Text erst im November 1976 unter dem Titel „The Breakdown of Predictability in Gravitational Collapse” . Schon die abgeschwächte Überschrift und die lange Zeit bis zum Druck lassen ahnen, wie schwer sich die Gutachter taten. Von Albert Einstein, der sich bis zu seinem Lebensende nicht mit den paradoxen Konsequenzen der Quantenphysik abfinden wollte, stammt das Diktum: „Gott würfelt nicht!” Hawking stellt dem entgegen: „ Gott würfelt nicht nur, er wirft auch manchmal die Würfel dorthin, wo sie nicht gesehen werden können” – nämlich in Schwarze Löcher. „Ich denke, dass man, nimmt man Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ernst, die Möglichkeit berücksichtigen muss, dass die Raumzeit sich zu Knoten verschlingt und dass in den Falten Informationen verloren gehen können. Zu entscheiden, ob Informationen tatsächlich verloren gehen”, ist eine der wichtigsten Fragen, die sich der theoretischen Physik heute stellen”, verkündete Hawking 1997 auf einem Vortrag in Amsterdam. Keiner hält das für übertrieben. Dabei geht es nicht um praktische, sondern um prinzipielle Probleme. Wirft man ein Buch ins Feuer, verbrennt das Papier mitsamt den gedruckten Buchstaben. Aber im Prinzip ließe sich der Text aus der Asche, der Form der Flammen und des Rauches sowie den Turbulenzen in der erhitzten Luft rekonstruieren. Fällt das Buch hingegen in ein Schwarzes Loch, dann verschwinden seine Informationen, ohne eine Spur zu hinterlassen. Und sie kommen auch nicht wieder zum Vorschein, wenn sich das Schwarze Loch im Lauf gigantischer Zeiträume auflöst. Dass Schwarze Löcher nicht ewig und vollständig schwarz sind, sondern auf Grund von quantenphysikalischen Prozessen in fernster Zukunft verdampfen, hat Stephen Hawking 1974 bewiesen. Die ihm zu Ehren benannte Strahlung, die das Schwarze Loch abgibt, sollte demnach rein statistischer Natur sein – Physiker sprechen von einer idealen Schwarzkörper-Strahlung. Aus der Verdampfung wäre also nicht ersichtlich, was das Schwarze Loch einst verschlungen hat: Staub, Sterne oder Stephen Hawkings neues Buch „Das Universum in der Nussschale” (bild der wissenschaft 5/2002, „Hawking & Co”). Darin schreibt er: „Wir glauben, wir könnten in der Vergangenheit lesen wie in einem offenen Buch. Doch wenn Information in Schwarzen Löchern verloren ginge, wäre das nicht der Fall. Dann hätte alles Mögliche passiert sein können, und wir wären nicht in der Lage, es zu rekonstruieren.” Auch Vorhersagen wären beeinträchtigt. Und das ist nicht alles. „Information kann nicht völlig kostenlos übermittelt werden, was jedem von uns spätestens dann klar wird, wenn er seine Telefonrechnung bekommt”, so Hawking. „Information braucht Energie, um übertragen zu werden, und in den Endstadien eines Schwarzen Lochs ist nur noch sehr wenig Energie übrig. Wie kommt sie also aus ihm heraus?” Einen bestimmten Informationsbetrag in einer bestimmten Zeit zu verlieren, erfordert die Verletzung der Energieerhaltung. Dieses Prinzip ist aber eine heilige Kuh in der Physik, die die Forscher nicht so schnell zu schlachten bereit sind. „Informationsverlust ist hoch infektiös”, bohrt Steven Giddings von der University of California in Santa Barbara in der Wunde. „Es ist kaum möglich, die Quantentheorie so zu modifizieren, dass sie einen geringen Informationsverlust beschreiben kann, ohne dass Informationen dann überall verschwinden – auch unter Bedingungen, die wir im Experiment bereits studieren können. Und es gibt keinen Grund, warum die Verletzungen klein sein müssen.” Es kommt noch schlimmer. Wenn der Energieerhaltungssatz nicht gilt, kann Energie auch aus dem Nichts auftauchen. „Hawkings Vorschlag ist mathematisch äquivalent mit der Annahme zufälliger Schwankungen der Naturkonstanten. Das würde eine gewaltige Hitze und eine so hohe Energiedichte erzeugen, dass überall Schwarze Löcher entstünden”, sagt Leonard Susskind. Zusammen mit Thomas Banks und Michael Peskin hat er ausgerechnet, dass sich das Weltall dabei auf 1031 Grad erhitzen müsste. Seit Hawkings schockierender Publikation wurden über 300 Fachartikel zum Thema publiziert. Dabei kam es zu einem regelrechten Streit der Kulturen. „ Relativitätstheoretiker tendieren zu Hawkings Blickwinkel und argumentieren oft, dass der Ereignishorizont eine absolute Barriere für die Wiederherstellung von Informationen ist, während die Teilchenphysiker mit Auswegen sympathisieren”, sagt Don Page von der kanadischen University of Alberta. Hawking hat kürzlich vermutet, dass auch psychische Bedürfnisse eine Rolle spielen: „ Physiker scheinen der Information emotional stark verbunden zu sein. Ich denke, dies kommt von einem Wunsch nach Beständigkeit. Sie müssen akzeptieren, dass sie sterben werden, und dass selbst die Materie, aus der ihr Körper besteht, irgendwann zerfällt. Aber sie wollen, dass wenigstens Information ewig ist.” Am 6. Februar 1997 wettete Hawking zusammen mit Kip Thorne vom California Institute of Technology gegen John Preskill – ebenfalls am Caltech –, dass Informationen in Schwarzen Löchern verloren gehen. Der Sieger wird eine Enzyklopädie seiner Wahl erhalten, „woraus Informationen willentlich entnommen werden können”, wie es in dem Wett-Abkommen heißt. Dabei geht es nicht ums Geld – wenn die Encyclopedia Britannica auch stattliche 1500 Dollar kostet –, sondern um die Zukunft der Physik. „Wenn Hawkings Argumente richtig wären, stünden wir vor der erschreckenden Aufgabe, ein neues grundlegendes Konzept für die gesamte Physik zu finden”, sagt Preskill. „Die gängigen Prinzipien führen zu einem Paradox, was bedeutet, dass sie nicht eine richtige Beschreibung der Natur liefern können.” Fest steht also, dass das Informationsverlust-Problem kein Glasperlenspiel ist, sondern eine Arena für Theoretiker, weil es auszuloten hilft, wie tragfähig die Naturgesetze sind und ob sie sich bruchlos zu einem Ganzen fügen. AUSWEGE DRINGEND GESUCHT – so könnte das Motto lauten, dem sich viele Physiker seit Hawkings aufrüttelnder Publikation verschrieben haben. Sie haben zahlreiche Schlupflöcher gefunden, um dem Problem zu entrinnen, und die meisten bald wieder aufgegeben. Tatsächlich sind die Alternativen begrenzt: Entweder verschwindet die Information nicht, oder sie tut es und kommt wieder zum Vorschein – während der Verdampfung des Schwarzen Lochs oder als eine Art Informationsrelikt, wenn der Ereignishorizont schrumpft. Folgende Szenarien wurden hauptsächlich diskutiert: Die Allgemeine Relativitätstheorie oder die Quantentheorie (oder beide) gelten nur näherungsweise und müssen so abgewandelt werden, dass Schwarze Löcher keine Informationen vernichten können oder in der Natur überhaupt nicht vorkommen. Das Informationsverlust-Problem wäre also lediglich die Folge falscher Näherungsrechnungen. Die Informationen verschwinden nicht, sondern bleiben gleichsam im Gewebe der Raumzeit enthalten, auf eine zeitlose Art und Weise. Dieser Vorschlag von Hawkings früherem Mitarbeiter James B. Hartle von der University of California in Santa Barbara ist aber noch nicht überzeugend ausgearbeitet. Die Informationen gelangen gar nicht in das Schwarze Loch, sondern werden am Ereignishorizont zurückgeworfen. Diese „Backsteinmauer”-Hypothese stammt von Gerard ‘t Hooft, der an der niederländischen Universität Utrecht forscht. „Alles prallt zurück von der Wand, wie die Reflexion an einem Spiegel”, sagt der Physik-Nobelpreisträger von 1999. „Aber das würde ein anderes heiliges Naturgesetz verletzten, das Äquivalenzprinzip”, fasst Susskind die Kritik an diesem Vorschlag zusammen. ‘t Hooft widerspricht nicht. „Denkbar ist allenfalls, dass die starken gravitativen Wechselwirkungen nahe am Horizont wie eine Wand wirken. Diese Annahme ist noch nicht ausgeschlossen.” Schwarze Löcher verdampfen anders, als Hawking es annahm. Wenn sie sich mit einem einzigen Blitz auflösen würden, könnte die solchermaßen entkleidete Singularität alle Informationen wieder freigeben. Doch dagegen spricht das Prinzip der Kosmischen Zensur, demzufolge Singularitäten nie nackt sein dürfen. Schwarze Löcher haben doch Haare – also zusätzliche, bislang unbekannte Eigenschaften – in denen die Informationen stecken. Diese unter anderem von Giddings vorgeschlagene Hypothese entbehrt freilich jeglicher theoretischen Grundlage. Schwarze Löcher verdampfen nicht vollständig. Es bleiben Reste übrig, die gleichsam jedes verschluckte Photon, Elektron und Staubkörnchen im Gedächtnis behalten. In der Hawking-Strahlung bleiben die Informationen in einer Art Nachbild zugänglich. Die letzten beiden Vorschläge haben die meisten Anhänger. „Besonders viel verspricht die Möglichkeit zu verneinen, dass es wirklich eine Singularität im Zentrum der Schwarzen Löcher gibt”, meint Peter Bokulich von der University of Notre Dame, Indiana. Vielleicht steckt dort eine Art Informationskristall, der alle einfallenden Informationen irgendwie zu speichern vermag. Quantengravitationseffekte könnten eine vollständige Verdampfung des Schwarzen Lochs verhindern, so dass ein stabiler oder zumindest langlebiger Rest übrig bleibt. Er wäre nur 10-33 Zentimeter groß – das ist die so genannte Planck-Länge, kleiner geht es quantentheoretischen Überlegungen zufolge nicht mehr – und hätte bei einer Dichte von 5,2 · 1093 Gramm pro Zentimeter die Planck-Masse 2,2 . 10-5 Gramm. Ein solcher Rest wäre im Grunde ein neuer Typ von Elementarteilchen. Physiker haben über solche Relikte spekuliert und ihnen alle möglichen Namen verliehen – wie Informons, Infotons und Cornucopions (cornucopia, engl. Füllhorn). Steven Giddings ist einer der Reste-Sympathisanten, muss aber zugeben: „Das erfordert eine neue Physik auch bei schwachen Raumkrümmungen und läuft unserem Verständnis von Ursache und Wirkung entgegen.” Neben dem Zusammenbruch der Kausalität oder dem Auftreten mysteriöser Überlichteffekte gibt es noch weitere Schwierigkeiten. Zum einen ist unklar, wie viele Informationen in einem winzigen Rest überhaupt gespeichert werden können. Es müssten wohl unendlich viele sein, aber wie ist das möglich? Zum anderen wurde eingewendet, dass der Rest entweder ein Schwarzes Loch ist, was das Problem nicht löst, oder keines ist, was fraglich macht, wieso die Informationen dann darin stecken und nicht beim Verdampfen des Schwarzen Lochs zermalmt wurden. Und schließlich wäre das Universum ein gefährlicher Ort, wenn Relikte von Schwarzen Löchern übrig blieben, denn diese könnten sich dann den Gesetzen der Quantenphysik zufolge auch von selber bilden. „Wenn man seinen Mikrowellen-Ofen anschaltet, könnte er einer katastrophalen Explosion eines solchen Restes zum Opfer fallen”, malt sich Giddings eine der bizarren Konsequenzen aus. Eine andere Möglichkeit ist, dass die Informationen aus unserem Universum verschwinden, aber nicht vernichtet werden, sondern in einem anderen Universum landen – vielleicht nur in einem Baby-Universum, das sich aus dem Schwarzen Loch in andere Dimensionen herausstülpt. Diese Hypothese hat schon 1976 Freeman Dyson vom Institute of Advanced Study in Princeton geäußert, aber nicht publiziert, weil sie ihm vielleicht zu kühn oder unwissenschaftlich erschien. Hawking hat jedoch Ähnliches erwogen, und Lee Smolin von der Pennsylvania State University baute sie zu einer ganzen Kosmologie aus (bild der wissenschaft 2/1998, „Der Bursche mit den verrückten Ideen”). Preskill findet solche Erklärungsversuche vollkommen unbefriedigend. „Wir wollen wissen, wie die Physik in unserem Universum funktioniert.” Für einen Superbeobachter, der alle Informationen in allen Universen sieht, sei da kein Platz. Auch Hawking gibt der Reste-Theorie kein gutes Zeugnis, obwohl er selber spekuliert hat, dass Informationen durch Quantenwurmlöcher in Paralleluniversen entrinnen. „Schwarze Löcher sind entstanden, als noch kein Schwarzes Loch vorhanden war. Also müssten sie auch vollständig verdampfen können. Sie können sich nicht bei der Planck-Masse stabilisieren.” Susskind lehnt die Reste-Hypothese ebenfalls ab: „ Nein, nein, nein. Tausendmal nein. Die Entropie eines Systems ist ein Maß für die Kapazität seiner Informationsspeicherung. Wenn das Schwarze Loch verdampft, verliert es graduell Entropie und muss daher seine Information graduell abgeben. Dies geschieht während der Verdampfung, nicht lange danach. Es gibt keine winzigen Informationskristalle. Wenn das Schwarze Loch sehr klein ist, kann es nur noch sehr wenige Informationen enthalten.” Zusammen mit Gerard ‘T Hooft ist Susskind seit langem der wackerste Streiter gegen den Informationsverlust. Die beiden Physiker gehen davon aus, dass die Informationen der eingestürzten Materie und Energie – von außen betrachtet – gleichsam plattgepresst, bewegungslos und rotverschoben am Ereignishorizont verharren und für subtile Änderungen in der Hawking-Strahlung sorgen. Demnach wäre diese also nicht vollkommen thermisch, sondern kann die Informationen wieder abgeben, so dass sie im Prinzip rekonstruierbar wären. „Ähnliche Schwankungen der thermischen Strahlung gibt es auch in irdischen Systemen”, erklärt Susskind. „Nimmt man ein Stück sehr kalter Kohle und bestrahlt es mit einem Laser, wird es sich aufheizen und Schwarzkörper-Strahlung abgeben. Kodiert man den Laserstrahl, etwa mit Morse-Zeichen, wird diese Botschaft in der letzten Schwarzkörper-Strahlung wieder aufscheinen, wenn sich die Kohle auf ihren ursprünglichen Zustand abkühlt. Das wissen wir sicher, weil die Quantentheorie keinen Informationsverlust erlaubt. Freilich ist die Botschaft so zerhackt, dass es irrsinnig schwierig wäre, sie wiederherzustellen.” Wenn Susskind Recht hat, wären die Informationen also nicht unwiderruflich in Schwarzen Löchern verschwunden, sondern in einem Nachbild auf dem Ereignishorizont im Prinzip immer noch sichtbar. ‘t Hooft vergleicht das mit einem Hologramm, bei dem Informationen dreidimensionaler Objekte auch auf zweidimensionalen Oberflächen gespeichert werden können. Susskind hat sogar einen Vorschlag über die Natur der Informationsträger: Es könnte sich um winzige Saiten oder Schleifen handeln – um „Strings”. Die sind der String-Theorie zufolge die grundlegenden
Kompakt
Stephen Hawking zufolge ist alles, was in Schwarzen Löchern verschwindet, unwiderruflich verloren. Das würde aber fundamentale Prinzipien der Physik verletzen. Vielleicht kommen die Informationen beim „Verdampfen” Schwarzer Löcher wieder zum Vorschein, verbleiben in winzigen Relikten oder entweichen in ein anderes Universum.
„Die Natur ist Klüger als wir bis Jetzt” bdw: Wäre es wirklich so schlimm, wenn Informationen unwiderruflich von Schwarzen Löchern verschluckt würden? ‘Thooft: Wenn Informationen verloren gingen, würden sich Schwarze Löcher fundamental von allen anderen Formen der Materie unterscheiden. Wir können uns keine widerspruchsfreie Theorie vorstellen, wo Schwarze Löcher von den Gesetzen der Quantenfeldtheorie befreit sind. bdw: Was halten Sie von der Idee, dass die Informationen in einem Rest des Schwarzen Lochs gespeichert werden? ‘Thooft: Ich finde solche Theorien sehr hässlich. Diese Reste wären fundamental verschieden von der bekannten Materie und thermodynamisch instabil. bdw: Bei einer Umfrage auf einer Expertenkonferenz 1993 votierten 32 Prozent der Teilnehmer für einen Informationsverlust bei Schwarzen Löchern, 51 Prozent dafür, dass die Information mit der Hawking-Strahlung wieder entweicht, 9 für einen Informationsverbleib in einem Rest und 8 Prozent für etwas anderes. Hat sich die Meinung der Wissenschaftler seither verändert? ‘Thooft: Ich würde die 9, 8 und 32 Prozent addieren, da dies auf dasselbe hinausläuft. Inzwischen sind alle String-Theoretiker auf meiner Seite und glauben, dass die Information in der Hawking-Strahlung enthalten ist. Daher nimmt heute eine größere Mehrheit an, dass die Information wieder herauskommt. Meine Position ist mittlerweile etwas subtiler geworden: Ja, die Information entweicht im quantenphysikalischen Sinn wieder, aber es könnte eine tiefere deterministische Theorie geben, wie Information verschwinden könnte. Meiner Hypothese zufolge bezieht sich die Quantenphysik nur auf die Aspekte der Information, die für Beobachter in der fernen Zukunft zugänglich bleiben. Anders gesagt: Quantenphysik ist, was man erhält, wenn man sich auf Information beschränkt, die man wiedergewinnen kann. bdw: Eine Überwindung der Quantenphysik durch einen neuen Determinismus – alles wäre kausal festgelegt, und Zufälle existieren streng genommen genauso wenig wie ein freier Wille – erfordert ein radikales Umdenken. ‘Thooft: Ich denke, dass die Quantenphysik in einem formalen Sinn richtig bleibt, aber dass man deterministische Modelle finden muss, wenn man die lokale und logische Natur der physikalischen Gesetze finden möchte. Die Beziehung zwischen diesem Determinismus und unserem quantenphysikalischen Weltbild könnte eine sehr subtile sein. Ich glaube fest daran, dass man die üblichen Argumente dafür, dass solche Beziehungen unmöglich sind, umgehen kann. Die Natur ist klüger als wir bis jetzt.
Rüdiger Vaas
