Schwarze Spiegel

Die Welt der Schwarzen Löcher wird immer verrückter. Jetzt haben Physiker entdeckt, dass die unersättlichen Schwerkraftfallen auch Teilchen ausspucken können – und die perfektesten Spiegel der Welt sind. „Lasst jede Hoffnung, wenn ihr eingetreten”, steht in Dantes „ Göttlicher Komödie” über dem Tor zur Hölle. Will sagen: Von hier gibt es kein Entrinnen mehr. In der Natur ist ein solcher Ort ohne Wiederkehr der Horizont – die äußere Grenze – eines Schwarzen Lochs. Nichts, nicht einmal Licht, kann ihm entkommen, und alles, was dem düsteren Rand zu nahe tritt, wird von der Schwerkraftfalle unweigerlich verschlungen. Doch was in wissenschaftlicher wie populärer Hinsicht längst ein Allgemeinplatz ist, stimmt streng genommen womöglich gar nicht. Schwarze Löcher können ganz schön abweisend sein – und scheinen sogar Schlupflöcher zu haben, durch die ein Teil der Materie den Ort der Verdammnis zu verlassen vermag. Jedenfalls in der bahnbrechenden Vorstellung mancher Physiker. „Schwarze Löcher verhalten sich nicht wie Löcher, sondern wie Spiegel.” Diese Aussage ist die wohl größte Überraschung in der jüngsten Phase der Erforschung der bizarren Raumzeit-Schlünde. Nicht minder überraschend ist, dass sich diese Erkenntnis noch kaum herumgesprochen hat. Zu seltsam erscheint vielen Wissenschaftlern dieser Effekt. Dazu kommt, dass ihn ein relativer Außenseiter der Forscherszene entdeckt hat. Dabei ist Michael Kuchiev ein renommierter Physiker und keineswegs ein Spinner oder Märchenonkel – die sich ja gerade in den Extrembereichen der Physik mit teils fanatischem Eifer tummeln, wie die Forschungsinstitute, Zeitschriften-Redaktionen und Planetarien aus leidvoller Erfahrung berichten können. Und er hat seine Ergebnisse in anerkannten Fachzeitschriften publiziert – was freilich ihre Richtigkeit nicht garantiert. „Ich war völlig verdutzt, geradezu schockiert”, erinnert sich Kuchiev, der 2003 auf den seltsamen Reflexionseffekt stieß – beinahe zufällig, als er mit seinem Freund Victor Flambaum über die Beziehung zwischen Hawking-Strahlung und winzigen Schwarzen Löchern kurz nach dem Urknall nachzudenken begann. Stephen Hawking von der University of Cambridge hatte schon Anfang der siebziger Jahre spekuliert, ob solche primordialen Black Holes durch extreme Dichteschwankungen entstanden waren – und vielleicht auf Grund quantenphysikalischer Prozesse bereits wieder verdampft sind. Denn sie setzen aufgrund von Quantenprozessen am Ereignishorizont die später so genannte Hawking-Strahlung frei. Während Flambaum schon mit allerlei kühnen Überlegungen für Aufsehen gesorgt hat – darunter der Idee, dass Atome aus Schwarzen Löchern sogar in uns allen stecken könnten (bild der wissenschaft 7/2000, „Schwarze Atome”), hatte Kuchiev nie zuvor über Schwarze Löcher geforscht. Er arbeitete früher am renommierten Ioffe-Institut der russischen Akademie der Wissenschaft in Sankt Petersburg auf dem Gebiet der Atomphysik und kam 1993 zu Flambaum an die University of New South Wales in Sidney. „Meine Unkenntnis in diesem Gebiet motivierte mich, etwas herumzubohren”, erinnert sich Kuchiev. „Ich habe die schreckliche Angewohnheit, Ideen, die neu für mich sind, mir dadurch anzueignen, dass ich alles noch einmal selbst ableite. Das ist weit weniger effektiv, als sie durch Lehrbücher, Übersichtsartikel oder Originalarbeiten zu lernen, aber es erlaubt einem zuweilen, einen unvoreingenommenen Blickwinkel einzunehmen. Und zu meiner Überraschung endete dies in der Entdeckung eines absolut neuen Effekts, der nicht von der Hawking-Strahlung verursacht wird. Das war erschreckend, weil das Forschungsfeld eigentlich gut beackert ist.” Auf den ersten Blick ist Kuchievs Entdeckung tatsächlich irritierend: Schwarze Löcher, die unersättlichen Schwerkraftfallen, denen angeblich nichts entkommen kann, sollen wie ein Spiegel wirken und Partikel oder Strahlung förmlich abprallen lassen? Genau das hat Kuchiev errechnet: Teilchen und Wellen können vom Ereignishorizont reflektiert werden, wenn sie wenig Energie besitzen. Aus der Perspektive der Gesetze der klassischen Physik – also auch der Allgemeinen Relativitätstheorie – ist das nicht möglich. Doch was klassisch unmöglich ist, ist quantenphysikalisch lediglich unwahrscheinlich – insofern also möglich und sogar wirklich. „Die Quanten-Gleichungen geben einen Hinweis, dass etwas Unerwartetes am Horizont geschieht”, sagt Kuchiev. Zwar haben Schwarze Löcher keinen Rand im alltäglichen Sinn des Wortes, also auch keine Oberfläche wie ein Teich, der beispielsweise Licht – und sogar flach geworfene Steine – abprallen lässt. Aber der Ereignishorizont ist nicht nur eine Abstraktion, die allein als mathematische Definition existiert. Er hat auch physikalische Auswirkungen – und zwar ziemlich unerquickliche, wenn man unfreiwillig durch diese Falltür ohne Wiederkehr stürzt. „Das Gravitationsfeld ist etwas, dem man mit Respekt begegnen muss”, warnt Kuchiev. „Man kann nicht sagen, dass da einfach bloß ein Loch ist.” Überschreitet die Krümmung der Raumzeit einen bestimmten Schwellenwert, bildet sich ein Horizont aus. Er wirkt wie eine Grenze, die die Regionen außerhalb und innerhalb von ihm trennt. Dies entspricht einem unterschiedlichen Refraktionsindex über und unter dem Horizont. Die beiden Regionen verhalten sich daher verschieden. „Das Gravitationsfeld erzeugt eine Art von Medium, und der Refraktionsindex außerhalb des Horizonts ist anders als innerhalb davon. Der Horizont wird so zu einer Grenze zwischen zwei verschiedenen ‚Medien‘”, erklärt Kuchiev. Das ist ähnlich wie bei Luft und Wasser. und lässt auf eine Brechung oder Reflexion analog zu der zwischen Luft und Wasser schließen – andernfalls könnten wir Wasseroberflächen gar nicht sehen. Deshalb müssen energiearme Partikel – oder Strahlen mit großen Wellenlängen, was aus der Sicht der Quantenphysik dasselbe ist – an der Grenze reflektiert werden. Die niedrigen Energien sind wichtig, weil nur bei ihnen der Effekt ausgeprägt ist. Wenn die Schlussfolgerung stimmt, dann zeigt dieser Effekt auch, dass diese Grenze nicht nur eine mathematische Abstraktion, sondern sehr real ist – man kann sie im Prinzip sogar sehen, wenn sie ins rechte Licht gesetzt wird. Kuchiev veranschaulicht dies so: „Man nehme eine starke ‚Taschenlampe‘ mit Strahlung ausreichender Wellenlänge. Man mache sie so stark wie man kann. Dann sieht man die Reflexion. Je stärker die Beleuchtung ist, desto besser ist auch das Bild. Das Schwarze Loch kann wie ein Filmstar erscheinen, wenn das Setting richtig ist.” Im Prinzip kann alles reflektiert werden, auch Materie. Einzige Bedingung: Die Compton-Wellenlänge des Teilchens muss größer sein als der Gravitations- radius des Schwarzen Lochs. Die Compton-Wellenlänge ist nach dem amerikanischen Physiker Arthur Holly Compton benannt, der 1922 die Streuung von Röntgenstrahlung an Elektronen erforscht und quantenphysikalisch erklärt hat (Compton-Effekt) und dafür 1927 den Nobelpreis für Physik erhielt. Die Compton-Wellenlänge eines Teilchens ist eine Konsequenz des berühmten Welle-Teilchen-Dualismus in der Quantenphysik, wonach Wellen und Teilchen nur zwei Seiten derselben Medaille sind. Daher lässt sich Licht nicht nur als (elektromagnetische) Welle betrachten – was Phänomene wie Brechung, Beugung und Interferenz erklärt, sondern auch als Teilchen (Photonen). Klar wurde das spätestens 1905 mit Albert Einsteins Erklärung des Photoeffekts – der Freisetzung von Elektronen aus Metalloberflächen durch energiereiche elektromagnetische Strahlung. Die Entdeckung des Compton-Effekts hat es dann bestätigt. Umgekehrt besitzt Materie auch Welleneigenschaften. Das hat der spätere Physik-Nobelpreisträger Victor de Broglie 1924 in der Theorie erkannt, und Beugungs-Experimente demonstrierten es wenige Jahre später. Die Compton-Wellenlänge l ist definiert als l = 2 p h/m c, wobei p die Kreiszahl (3,1415…), h das Planck’sche Wirkungsquantum, m die Masse des Teilchens und c die Lichtgeschwindigkeit bedeuten. Je größer die Masse, desto kleiner also die Wellenlänge. Ein Elektron hat beispielsweise eine Compton-Wellenlänge von nur 0,4 . 10–10 Zentimeter. Bei stellaren Schwarzen Löchern ist der Gravitationsradius mehrere Kilometer groß. „Daher können hier nur masselose Partikel reflektiert werden: Photonen und Gravitonen, die Wellenlängen von mehreren Kilometern besitzen”, folgert Kuchiev. „Bei Schwarzen Löchern, die kleiner sind als der Kern eines Atoms, sind Reflexionen großer Frequenzbereiche möglich – von Radiowellen über das sichtbare Licht bis zur UV- und Röntgenstrahlung. Aber auch Elektronen und Positronen werden zurückgespiegelt. Je kleiner ein Schwarzes Loch ist, desto wählerischer nimmt es seine Nahrung auf. Kleine Schwarze Löcher sind wunderbare Spiegel – die besten Spiegel der Welt.” Dieses Phänomen – Kuchiev spricht von der „vitalsten Eigenschaft” Schwarzer Löcher, von „der Fähigkeit, Materie zu absorbieren oder zurückzuweisen” – könnte sogar astrophysikalische Konsequenzen in der Frühzeit des Alls gehabt haben, falls damals winzige primordiale Schwarze Löcher entstanden sind. „Der Reflexionseffekt führt dazu, dass das Schwarzeloch-Baby auf Diät gesetzt ist. Es hungert also. Es kann nicht wachsen. Und das Schicksal des Universums nimmt einen anderen Weg als das eines Universums, in dem jedes Schwarze Loch alles verspeisen kann.” Wenn Kuchiev Recht hat, ist es also noch unwahrscheinlicher als bislang angenommen, dass die großen Schwarzen Löcher im Kosmos aus primordialen Keimen entstanden sind. Doch der Reflexionsprozess ist von Physikern noch nicht genug reflektiert worden, um schon allgemein anerkannt zu sein. Aber Kuchiev und Flambaum haben mehrere unabhängige theoretische Argumente zur Demonstration des Effekts vorgelegt. Tatsächlich hätte man schon früher auf die Idee kommen können. So hat der 1997 gestorbene Physiker Vladimir Naumovich Gribov vom Petersburger Institut für Kernphysik bereits Anfang der siebziger Jahre überlegt, was mit Strahlung geschieht, deren Wellenlänge viel zu groß ist, um in ein Schwarzes Loch zu passen. Aber eine Reflexion dieser Strahlung hat er nicht erwogen – oder zumindest nie etwas darüber publiziert. „Die Argumentation, die sich nur auf die eine Tatsache der großen Wellenlängen stützte, ist freilich so einfach, dass niemand sie ohne eine detaillierte Studie geglaubt hätte”, kommentiert Kuchiev. Einen Einwand gegen seine Hypothese konnte Kuchiev Ende 2004 entkräften. Seine ursprüngliche Argumentation basierte auf den Kruskal-Diagrammen für ewige Schwarze Löcher – ein bewährtes Instrumentarium bei theoretischen Analysen der Raumzeit-Schlünde. Doch ewige Schwarze Löcher existieren nicht in der Natur, bemängelten Kritiker. Womöglich ist der Reflexions-Effekt also nur eine Vorspiegelung falscher Tatsachen aufgrund einer unrealistischen Voraussetzung? Das hat auch Kuchiev beunruhigt. „ Doch jetzt geht es mir wieder besser”, freut er sich. Seine neuesten Rechnungen zeigen, dass „natürliche” Schwarze Löcher, die durch den Kollaps eines ausgebrannten Sterns entstehen, ebenfalls als Spiegel wirken können. „Ich fand dasselbe Ergebnis auch ohne Kruskal-Koordinaten. Das wird selbstverständlich nicht alle Kritiker überzeugen. Aber es war eine technisch sehr anspruchsvolle Aufgabe. Und jetzt kann ich wieder ruhiger schlafen.” Schwarze Löcher als perfekte Spiegel – seltsam genug. Wenige Monate nach seiner Entdeckung ist Kuchiev noch auf eine weitere Überraschung am Ereignishorizont gestoßen: Schwarze Löcher können Teilchen nicht nur reflektieren, sie können sie sogar aus ihrem Inneren entweichen lassen! Das hat Kuchiev 2004 in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review” veröffentlicht und inzwischen mit Victor Flambaum in einem anderen Artikel weiter ausgearbeitet. Wenn Schwarze Löcher einst als die sichersten Gefängnisse der Natur galten, dann haben die beiden Wissenschaftler nun also ein Schlupfloch für Ausbrecher gefunden. „Die quantenphysikalische Beschreibung zeigt, dass jedes gefangene Partikel eine kleine Chance hat, in die Außenwelt zu entkommen”, kommentiert Kuchiev. „Die Gefangenschaft ist nicht absolut. Das ist höchst erstaunlich.” Dies ist ein erneuter Schlag ins Gesicht der klassischen Physik, derzufolge nichts, aber auch gar nichts aus dem Schwerefeld eines Schwarzen Lochs entrinnen kann. Zwar gibt es auch klassisch zwei unabhängige Mengen von Trajektorien (Teilchenbahnen): die für eingehende Partikel und die für ausgehende, die im Zusammenhang mit Weißen Löchern diskutiert wurden. Doch das „Auslauf-Modell” wurde als unphysikalisch verworfen. Wiederum macht die Quantenphysik den entscheidenden Unterschied – auf eine quantitativ zwar unbedeutende, qualitativ aber gewichtige Weise. „Hier partizipieren die Partikel an beiden Typen der Bewegung zugleich. Ein einfallendes Teilchen ist zu einem kleinen Teil auch ein Ausbrecher”, sagt Kuchiev. Das ist schwer vorstellbar, obwohl es im Alltag ähnlich verwirrende Effekte gibt. Hört man beispielsweise Musik aus seinem Radio und empfängt einen sehr langwelligen Sender, dann können die Radiowellen – angenommen, die Zimmerwand absorbiert sie völlig – gleichzeitig durch mehrere Fenster in den Raum kommen und interferieren dann miteinander. Wie beim Doppelspalt-Experiment in der Quantenphysik kann man nicht sagen, durch welches Fenster sie gekommen sind. „Dieser Effekt überschreitet einfach jegliches Vorstellungsvermögen”, staunt Kuchiev noch immer. „Natürlich kann man sich allerlei Fantasien hingeben. Aber es ist eine Sache, sich Fantasien zu erträumen und eine andere, solche fantastischen Dinge aus den Gleichungen abzuleiten.” Der Entweich-Effekt darf nicht mit der Hawking-Strahlung verwechselt werden. Diese wird, zumindest nach herkömmlicher Auffassung, strikt von der Temperatur beherrscht. Insofern kann es durch sie keinen Informationstransfer nach außen geben, zumal sie am Rand des Ereignishorizonts entsteht, nicht hinter ihm. Entweichen jedoch Teilchen aus dem Schwarzen Loch, ist dieses unergründliche Jenseits der diesseitigen Welt doch zugänglich – zumindest ein bisschen. Und das dürfte weit reichende Konsequenzen auch für das Informations-Paradoxon Schwarzer Löcher haben (bild der wissenschaft 12/2004, „Warum Stephen Hawking seine Wette verlor”). Angenommen, ein Schwarzes Loch hat Partikel von einem bestimmten Typ verschluckt, aber nicht von einem anderen – beispielsweise Elektronen, aber keine Positronen. Ein externer Beobachter kann das dem Schwarzen Loch nicht ansehen. Er weiß nicht, was sich im Inneren eines Schwarzen Lochs befindet und woraus es gebildet wurde, weil Schwarze Löcher nur drei Eigenschaften besitzen: Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung. Auch die Hawking-Strahlung – wenn sie ein thermisches Spektrum hat, also zufällig ist – hilft hier nicht weiter. Denn sie besteht aus einer statistischen Verteilung aller möglichen Partikel. Und das bedeutet, dass sie gleich viele Elektronen und Positronen enthält. Wenn Kuchiev und Flambaum Recht haben und Teilchen tatsächlich aus dem Schwarzen Loch entkommen, dann können externe Beobachter doch partiell herausfinden, was hinter dem Ereignishorizonts steckt. Sind dort Elektronen, dann werden Elektronen der Schwerkraftfalle entrinnen – nicht aber Positronen, wenn sich das Schwarze Loch keinen signifikanten Anteil dieser Partikel einverleibt hat. Dieser neue Effekt bedeutet also, dass zumindest einige Informationen wieder aus einem Schwarzen Loch herauskommen – und zwar ohne dass die spekulativen Annahmen der Stringtheorie oder Quantengeometrie hierfür notwendig wären (bild der wissenschaft 4/2004, „Das Duell: Strings gegen Schleifen”). Die zugrunde liegenden Gleichungen basieren auf der gut etablierten so genannten semiklassischen Beschreibung, bei der Materie, Strahlung und Felder, aber nicht die Raumzeit quantenphysikalisch beschrieben werden. Vielleicht ist die Hawking-Strahlung sogar nur ein Spezialfall dieses Effekts. Denn auch wenn die thermodynamischen Argumente für das Phänomen der Hawking-Strahlung ziemlich plausibel sind – Schwarze Löcher haben eine Temperatur, und Körper mit einer Temperatur müssen notwendigerweise Strahlung abgeben –, ist der Entstehungsmechanismus dieser Strahlung einigermaßen rätselhaft. Letztlich läuft es darauf hinaus, dass negative Energie in das Schwarze Loch fließt. Aber obwohl „negative Energie” kein physikalisch unsinniger Begriff ist und sogar messbare Wirkungen hat, ist ihre Bedeutung umstritten – und zwar insbesondere im Hinblick auf ihre Entstehung am Ereignishorizont. Kuchiev ist sehr unzufrieden mit den gängigen Erklärungsmustern: „Mir bereiten Partikel mit negativer Energie Kopfzerbrechen. Energie ist Energie. Und in physikalischen Anwendungen ist sie immer positiv. Jeder, der Stromrechnungen bezahlen muss, weiß das. Die Elektrizitätswerke rücken niemals Geld gegen negative Energie heraus”, insistiert der Physiker. „Wenn man über negative Energien diskutieren muss, stimmt irgendetwas nicht. Zumindest deutet es darauf hin, dass die gängige Erklärung der Hawking-Strahlung nicht so einfach ist, wie Wissenschaftler meist annehmen.” Kuchiev betont, dass er die Hawking-Strahlung nicht anzweifelt – nur sei die übliche Erklärung mithilfe der Teilchen-Paarerzeugung am Ereignishorizont „nicht so kristallklar wie die Leute gewöhnlich denken. Der Punkt ist, dass der Entweich-Effekt keine solchen Schwierigkeiten macht. Was seine Existenz selbstverständlich noch nicht beweist.” Doch möglicherweise tröpfeln wirklich Informationen aus den Raumzeit-Schlünden, und die Natur sendet uns Botschaften, die dazu beitragen, eines ihrer größten Rätsel zu lösen – das Geschehen im Zentrum eines Schwarzen Lochs. Man muss sie nur lesen lernen. ■ Rüdiger Vaas Ohne Titel · Schwarze Löcher sind weder vollkommen schwarz noch reine Löcher – sie können Teilchen reflektieren und ausstrahlen. • Die neuen Erkenntnisse haben weit- reichende Auswirkungen – vom Verständnis des frühen Universums bis zu einer Theorie der Quantengravitation. COMMUNITY Ausführlich über Schwarze Löcher berichten die folgenden Titelgeschichten von bild der wissenschaft: Im Sog der Schwarzen Löcher (2/1998) Die Magie der Schwarzen Löcher (7/2000) Schwarze Löcher – Die Monster im All (9/2002) Botschaft aus dem Schwarzen Loch (12/2004)