Furor um Feuerwände

Ob es Ereignishorizonte und somit klassische Schwarze Löcher im strengen Sinn gibt, mag manchen bloß als akademische Diskussion erscheinen. Denn die Frage wird sich auf absehbare Zeit nicht experimentell oder durch astronomische Beobachtungen beantworten lassen (siehe Kasten S. 43, „Ohne Folgen für die Astrophysik”). Doch es geht dabei um viel: um Folgerungen aus den besten physikalischen Theorien – Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorien, Thermodynamik – sowie um deren Vereinbarkeit und Widerspruchsfreiheit. Dass es hier zu gravierenden Prob-lemen kommt, alarmiert die Theoretischen Physiker.

Aber diese Krise birgt auch eine große Chance: Vielleicht fungiert sie als Wegweiser zu einer brillanten Theorie der Quantengravitation, die die Inkonsistenzen zwischen der Relativitäts- und der Quantentheorie überwinden kann. Die Wissenschaftsgeschichte lehrt, dass eine solche Krisensituation oft der Vorbote einer physikalischen Revolution ist. Hätte Albert Einstein die Probleme seiner Zeit missachtet, hätte er die Relativitätstheorie nicht formuliert, und es gäbe heute beispielsweise keine Satellitennavigation.

Fest steht, dass das Informationsverlust- und das Feuerwand-Paradoxon beseitigt werden müssen – am besten zusammen. Wie dies gelingen kann, ist gegenwärtig heftig umstritten. Am besten ist es wohl, alle möglichen Lösungswege auszuprobieren und gegeneinander antreten zu lassen. Konkurrenz belebt das wissenschaftliche Geschäft.

Stephen Hawkings Überlegungen sind keineswegs die einzigen Ideen, das von ihm entfachte Paradoxon zu lösen und zu löschen. Auf jeden Fall bringt Hawkings Vorschlag, die Idee von Schwarzen Löchern mit Ereignishorizon- ten aufzugeben, frischen Wind in die Debatte.

Don Page von der University of Alberta im kanadischen Edmonton, der in den 1970er-Jahren gemeinsam mit Stephen Hawking über Schwarze Löcher geforscht hat, findet dessen neue Auffassung plausibel: „Für manche klingt die Annahme, dass Ereignishorizonte nicht existieren, radikal. Aber bei Schwarzen Löchern herrschen extreme Verhältnisse, und niemand weiß genau, was die Raumzeit überhaupt ist – geschweige denn, ob ein deutlich abgegrenzter Bereich existieren kann, der sich als Ereignishorizont verstehen lässt.” Doch Page ist skeptisch, ob damit auch das Feuerwand-Paradoxon erledigt ist. Es könnte bei einem scheinbaren Horizont durchaus bestehen bleiben. Und womöglich kommt die Firewall sogar zum Vorschein, wenn sich der Horizont wie ein Theatervorhang hebt.

Stephen Hawking ist nicht der Einzige, der nichts von Feuerwänden hält: Daniel Harlow von der Princeton University und Patrick Hayden von der kanadischen McGill University haben argumentiert, dass die quantenmechanischen Verschränkungen oder Korrelationen, die der Firewall-Argumentation zugrunde liegen, noch stärker „nichtlokal” sind – und somit ausgedehnter – als gedacht. Das hieße, dass externe Beobachter sie prinzipiell nicht erkennen können, bevor das Schwarze Loch verdampft ist. Damit könnten die Verschränkungen keine Feuerwand erzeugen.

Von Gegnern zu Kampfgefährten

Wie Stephen Hawking ist auch Leonard Susskind von der Standford University davon überzeugt, dass es keine Feuerwände gibt – eine amüsante Wende, denn die beiden waren hinsichtlich des Informationsverlusts früher freundschaftliche Antipoden. Susskind hat darüber 2008 sogar ein populärwissenschaftliches Buch veröffentlicht: „Der Krieg um das Schwarze Loch: Wie ich mit Stephen Hawking um die Rettung der Quantenmechanik rang”.

Zusammen mit Juan Maldacena vom Insitute for Advanced Study in Princeton hat Susskind nun einen äußerst radikalen Vorschlag unterbreitet: Die Informationen könnten über sogenannte Wurmlöcher aus dem Schwarzen Loch wieder herauskommen – was eine extreme Nichtlokalität oder, noch provokanter, effektiv überlichtschnelle Informationsübertragung bedeutet. Letztlich geht diese Idee auf Überlegungen von Albert Einstein und Nathan Rosen 1935 zurück. Demnach wäre die Raumzeit nicht homogen, sondern von „Röhren” durchsetzt, und das Schwarze Loch böte gleichsam informative Schlupflöcher.

Auch Joe Polchinski von der University of California in Berkeley, einer der Feuerwand-Paradoxon-Autoren, bezweifelt das herkömmliche Verständnis von Raumzeit und Gravitation: „Die Raumzeit ist nicht fundamental, und die Gravitation ist nicht fundamental.” Beide sollen vielmehr abgeleitete („emergente”) Phänomene sein. Polchinski zieht daraus andere Schlüsse als Susskind: Er argumentiert für die Firewall und gegen die Relativitätstheorie. Diese müsse ohnehin durch eine bessere Theorie ersetzt werden: eine Theorie der Quantengravitation (auch „Weltformel” genannt).

Informationen hinter der kosmischen Bühne

Tatsächlich haben zwei vielversprechende Kandidaten, die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation, bereits Hinweise auf einen Informationserhalt beim Verdampfen Schwarzer Löcher gegeben. Und dabei ist die Annahme von Feuerwänden nicht nötig. So haben auch Abhay Ashtekar und Martin Bojowald von der Pennsylvania State University für einen zeitweiligen scheinbaren Horizont und gegen einen Ereignishorizont argumentiert – ähnlich wie Hawking, aber aus der Perspektive der Schleifen-Quantengravitation, die die Raumzeit als ein körniges, netzartiges Gebilde beschreibt und die unphysikalische Singularität im Zentrum eines Schwarzen Lochs vermeidet. Lüftet sich dessen Horizont, könnten die gefangenen Informationen die kosmische Bühne wieder betreten (bild der wissenschaft 6/2005, „ Rückkehr aus dem Schwarzen Loch”).

Diese Idee geht wieder in Richtung Informationsrelikt. Das lehnt Hawking ab. Auch Steven Giddings von der University of California in Santa Barbara arbeitet seit Jahren an einem solchen Konzept. Allerdings spekuliert er über ein massereiches Relikt, das nichtlokal ist und sich somit quasi überlichtschnell ausdehnen würde. „Diese Abweichung von der Lokalität ist radikal – sie bricht den Grundpfeiler der Quantenfeldtheorie”, räumt Giddings ein. „Aber um das Rätsel der Gravitation zu lösen, ist das der am wenigsten radikale Ansatz. Die Alternative wäre, dass die Raumzeit nicht fundamental ist.” Des einen Lösung ist des anderen Problem.

Bodenlose Fallgruben oder superdichte Kugeln

Samir Mathur von der Ohio State University in Columbus geht sogar noch einen Schritt weiter als Hawking. Er bezweifelt nicht nur, dass es Schwarze Löcher in der Natur wirklich gibt, er hält die Schwerkraftschlünde auch nicht für bodenlose Fallgruben. Stattdessen spekuliert er über kompakte Objekte aus fadenähnlichen Gebilden, wie sie die Stringtheorie beschreibt (bild der wissenschaft 2/2007, „Angriff auf die Schwarzen Löcher” ). Diese fast schon liebevoll „Fuzz Balls” (Fusselbälle) genannten dunklen Himmelskörper hätten eine harte Oberfläche, an der einfallende Materie zerschellen würde – quasi eine Radikalisierung der Feuerwand. Allerdings hätten sie keinen Horizont und extrem chaotische Eigenschaften, ähnlich wie es sich Hawking nun auch vorstellt. Die physikalischen Informationen der abgestürzten Materie blieben gleichsam im schwingenden Gewebe des Fusselstoffs gespeichert.

Die Situation ist also verwirrend. „In unserem Meeting in Stanford war die Konfusion so groß, dass ein berühmter Theoretiker sagte, wir seien nun wieder dort, wo wir vor 40 Jahren waren”, erinnert sich Susskind an die kleine Konferenz 2013, bei der auch Hawking via Internet zugeschaltet war. „Es ist nicht zu erwarten, dass ein 40 Jahre altes Rätsel so schnell gelöst wird”, zieht Matt Strassler von der Harvard University ein recht resignatives Resümee. „Und die Lösung wird wohl von einem jungen Physiker kommen, von dem noch keiner gehört hat, oder sogar von einem, der noch nicht einmal geboren ist.” Raphael Bousso von der University of California in Berkeley, ein ehemaliger Student von Hawking, drückt es diplomatischer aus: „ Die Idee, dass nichts aus einem Schwarzen Loch entkommen kann, ist in bestimmter Hinsicht noch radikaler und problematischer als die Existenz von Firewalls. Aber die Tatsache, dass wir auch 40 Jahre nach Hawkings erster Arbeit zu verdampfenden Schwarzen Löchern über diese Themen diskutieren, zeigt die enorme Bedeutung seiner Forschung.” •

von Rüdiger Vaas