Stephen Hawking, der am Mittwoch starb, war ein äußerst inspirierender und einflussreicher Wissenschaftler. Obwohl Hawking den größten Teil seines Lebens mit einer schweren neurodegenerativen Erkrankung, ALS, gelähmt war, erlangte er sowohl in wissenschaftlichen Kreisen als auch in der populären Phantasie einen seltenen Ruhm.
Kurz nachdem ich die Nachricht von seinem Tod gehört hatte, habe ich eine Reihe prominenter Physiker und Astronomen per E-Mail gefragt: „Was ist Hawkings größtes Vermächtnis?,“
Fast jeder erwähnte sein beliebtes Buch Eine kurze Geschichte der Zeit. Aber die nächste häufigste Antwort war das astronomische Phänomen, das seinen Namen trägt: Hawking-Strahlung.
Es ist das Phänomen, das erklärt, wie Schwarze Löcher Masse verlieren, und seine Entdeckung war seine Krönung wissenschaftliche Leistung. Aber wie so viele der besten Entdeckungen in der Wissenschaft, es schuf auch mehr große Fragen über das Universum und wie es funktioniert.,
die Hawking-Strahlung, erklärt so einfach wie möglich
Hawkings Entdeckung begann mit einer einfach klingenden Frage: haben schwarze Löcher emittieren keine Wärme? Er hatte zuvor festgestellt, dass Schwarze Löcher dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik entsprechen, was bedeutet, dass die Entropie (ein Maß für die Störung) nur mit der Zeit zunimmt. Und wie New Scientist erklärt: „alles, was Entropie … hat auch eine Temperatur.“
In den 1970er Jahren nahm Hawking mit viel Mathematik im Wesentlichen die Temperatur eines Schwarzen Lochs an.,
Er tat dies, indem er Erkenntnisse sowohl aus Einsteins Relativitätstheorie (die beschreibt, wie die Schwerkraft in großen Skalen funktioniert) als auch aus der Quantenmechanik (die beschreibt, wie die kleinsten Komponenten des Universums funktionieren) kombinierte. Dies sind die beiden wichtigsten Theorien über die Funktionsweise des Universums, nach denen Wissenschaftler seit Jahrzehnten suchen, um sie zu kombinieren. Und beide kommen am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ins Spiel, dessen Grenze die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann.,
Vor Hawkings Entdeckung wurde angenommen, dass Schwarze Löcher normalerweise Objekte sind, in die Dinge hineingehen, aber nie herauskommen (das Denken stammt tatsächlich zum Teil aus Hawkings Arbeit, die Singularitäten innerhalb Schwarzer Löcher beschreibt.)
Im Wesentlichen zeigte Hawking, dass Schwarze Löcher, wie so viele Objekte in unserem Universum, schrumpfen und sterben können. Er verwandelte diese Einsicht sogar in einen Ratschlag für uns alle: „Dinge können aus einem Schwarzen Loch herauskommen. … Wenn Sie also das Gefühl haben, in einem Schwarzen Loch zu sein, geben Sie nicht auf — es gibt einen Ausweg.,“
Wie schrumpft ein Schwarzes Loch, dessen Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann?
Hier ist die Erklärung, und es ist ziemlich trippy. Cliff Burgess, Physiker an der McMaster University in Kanada, führte mich durch sie.
Zunächst einmal: Die quantenmechanische Theorie erklärt, dass im gesamten Universum Teilchen und ihre Gegenstücke, Antiteilchen, ständig in und aus der Existenz auftauchen. Normalerweise halten sie, wenn sie entstehen, nicht sehr lange an, da sich ein Teilchen und sein Gegenstück schnell gegenseitig vernichten., (Zum Glück wurde zu Beginn der Zeit mehr Materie als Antimaterie geschaffen. Ohne dieses Ungleichgewicht hätte sich das Universum schnell selbst zerstört.)
Aber das Leben am Rand eines Schwarzen Lochs ist nicht normal. Dort, wenn diese Paare von Partikeln blip in Existenz, es ist möglich, für eine Seite des Paares zu fallen in. „Derjenige, der effektiv in das Schwarze Loch fällt, hat negative Energie“, sagt Burgess, „und der andere kann mit positiver Energie aus dem Schwarzen Loch herauskommen und entkommen.“
Das entweichende Teilchen bildet die Hawking-Strahlung., Und da das Teilchen, das hineinfällt, negative Energie hat,“ subtrahieren Sie im Wesentlichen Energie vom Schwarzen Loch“, sagt Burgess. „Es bedeutet, dass du Masse aus dem Schwarzen Loch genommen hast.“
Jetzt hat kein Physiker dies jemals direkt erlebt (eine Eigenart der Theorie ist, dass kleinere Schwarze Löcher, die für Astronomen schwerer zu finden sind, mehr Wärme ausstrahlen). Aber Hawkings Mathematik war so überzeugend, dass fast jeder Physiker glaubt, dass diese Strahlung existiert. Und das bedeutet, dass Schwarze Löcher schließlich verdampfen und sogar explodieren.,
Der Befund war so wichtig, weil er zunächst einen Hinweis darauf lieferte, dass Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie eines Tages zu einer großen Theorie vereint werden könnten. Mit anderen Worten, wenn Quantenmechanik und Relativität zusammenkommen könnten, um zu erklären, was zum Teufel am Rande eines Schwarzen Lochs passiert, könnten sie wahrscheinlich anderswo zusammenkommen.
Dieser Befund provoziert noch-zu-werden-beantwortet Fragen
Aber es fordert auch andere, äußerst interessante, offene Fragen über schwarze Löcher., „Zum einen scheint Hawking Strahlung Dinge zu tun, die unmöglich sein sollten“, sagt Burgess, wie alle Informationen darüber zu löschen, was in das Schwarze Loch ging.
Wenn Sie ein Schwarzes Loch mit festem Gold füllen und ein anderes mit Pizzen füllen, ist die Hawking-Strahlung, die jedes Schwarze Loch ausstrahlt, dieselbe. Das bricht tatsächlich die Gesetze des Universums, wie wir sie kennen.
Die Quantenmechanik besagt, dass Sie den Pfad eines Teilchens im Universum vollständig berücksichtigen sollten., Wenn Sie also eine Pizza in ein schwarzes Loch werfen, sollten Sie verfolgen können, wie diese Pizza auseinandergerissen wird.Sie sollten sehen können, was mit den einzelnen Atomen passiert, die die Kruste, den Käse usw. ausmachen. Die Quantenmechanik schreibt vor, dass alle Teilchen im Universum berücksichtigt und Informationen nicht gelöscht werden können.
Aber in einem Schwarzen Loch geht diese Information verloren. Hawking-Strahlung bedeutet, dass das Schwarze Loch an Masse verliert. Aber wir haben keine Ahnung, was das für die Pizza bedeutet, die sich vermutlich noch im Schwarzen Loch befindet.,
Es ist ein wissenschaftliches Rätsel, das eines unserer grundlegendsten Naturgesetze in Frage stellt. Und Burgess sagt Hawking Strahlung weiterhin Fragen und Forschung über die Natur der Schwerkraft zu erzeugen und wie sie sich auf andere Kräfte.
Wissenschaftler haben immer noch kein großes Verständnis dafür, wie die Quantenmechanik (die Wissenschaft des sehr Kleinen) die Schwerkraft erklärt. Und Hawking lieferte mit seiner Strahlung einen verlockenden Hinweis.,
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