Jahrzehntelang haben Physiker mit einem der tiefsten Rätsel der modernen Wissenschaft gerungen: dem 'Informationsparadoxon Schwarzer Löcher'. Nun schlägt eine neue theoretische Studie eine mögliche Lösung vor — eine, die auch ein weiteres großes Geheimnis erhellen könnte, den Ursprung der Masse von Elementarteilchen.
Das Paradoxon geht auf die Arbeit von Stephen Hawking in den 1970er Jahren zurück. Mit halbklassischen Berechnungen zeigte Hawking, dass Schwarze Löcher nicht vollständig schwarz sind. Stattdessen emittieren sie eine schwache Strahlung, die langsam ihre Energie ableitet, wodurch sie schrumpfen und schließlich verschwinden.
Dieses Ergebnis schuf ein ernstes Problem. Nach der Quantenmechanik kann Information nicht vernichtet werden. Wenn jedoch ein Schwarzes Loch vollständig verdampft, scheint auch alle Information über die Materie, die in es hineingefallen ist, zu verschwinden. Dieser offensichtliche Widerspruch wurde als Informationsparadoxon Schwarzer Löcher bekannt — ein so tiefgreifendes Problem, dass es die theoretische Physik seit fast fünf Jahrzehnten antreibt.
Eine 7-dimensionale Lösung
Eine neue Studie unter der Leitung von Richard Pinčák, veröffentlicht in General Relativity and Gravitation, schlägt ein radikal anderes Ergebnis vor. Die Forscher vermuten, dass die Antwort in der Geometrie eines höherdimensionalen Universums liegen könnte.
Das Team untersuchte eine Version der Gravitation, die als Einstein-Cartan-Theorie bekannt ist, formuliert in 7 Dimensionen auf einer mathematischen Struktur namens G2-Mannigfaltigkeit mit Torsion. Im Gegensatz zu Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, die die Raumzeit als etwas beschreibt, das sich biegen oder krümmen kann, erlaubt die Einstein-Cartan-Theorie auch eine Verdrehung der Raumzeit — eine als Raumzeit-Torsion bekannte Eigenschaft.
Laut dem Modell wird Torsion besonders wichtig bei den extremen Dichten, die mit der Planck-Skala verbunden sind. Unter diesen Bedingungen erzeugt sie eine abstoßende Kraft, die dem Gravitationskollaps entgegenwirkt. Die Forscher fanden heraus, dass dieser abstoßende Effekt das Endstadium der Hawking-Verdampfung stoppen kann. Anstatt vollständig zu verschwinden, würde ein Schwarzes Loch ein stabiles 'Relikt' mit einer vorhergesagten Masse von etwa 9×10⁻⁴¹ kg hinterlassen.
Wie Relikte Information speichern
Wenn ein Schwarzes Loch nie vollständig verschwindet, was geschieht mit der darin enthaltenen Information? Die Forscher schlagen vor, dass das Relikt als langfristiger Informationsspeicher dient. In ihrem Rahmen wird Information durch ein Spektrum von 'quasi-normalen Moden' gespeichert — im Wesentlichen langlebige Vibrationen des Torsionsfeldes innerhalb der Geometrie des Relikts.
Ihre Berechnungen deuten darauf hin, dass ein von einem Schwarzen Loch mit der Masse der Sonne hinterlassenes Relikt etwa 1,515×10⁷⁷ Qubits an Information speichern könnte — genau ausreichend, um die zur Lösung des Paradoxons erforderliche Information zu bewahren.
Eine Verbindung zum Higgs-Feld
Die Studie reicht auch über Schwarze Löcher hinaus in die Teilchenphysik. Die Forscher argumentieren, dass die Reduktion der Geometrie von 7 Dimensionen auf die 4 Dimensionen unserer alltäglichen Erfahrung natürlicherweise die elektroschwache Skala erzeugt — etwa 246 GeV, die Energieskala, die eng mit dem Higgs-Feld verbunden ist, das Elementarteilchen ihre Masse verleiht.
Infolgedessen könnte derselbe geometrische Mechanismus, der verhindert, dass Schwarze Löcher vollständig verdampfen, auch eine geometrische Erklärung für das Massenhierarchieproblem liefern, eine der langjährigen Herausforderungen der Teilchenphysik.
Wie man es testet
Wenn zusätzliche Dimensionen eine so fundamentale Rolle spielen, warum haben Wissenschaftler sie dann nicht direkt beobachtet? Laut der Studie hätten die mit diesen Dimensionen verbundenen Teilchen Massen von etwa 8,6×10¹⁵ GeV — etwa sieben Größenordnungen jenseits dessen, was der Large Hadron Collider erreichen kann.
Die Theorie produziert jedoch konkrete Vorhersagen, die durch astronomische Beobachtungen untersucht werden könnten. Eine Möglichkeit betrifft stabile Schwarze-Loch-Relikte selbst. Mit einer Masse von 9×10⁻⁴¹ kg könnten diese vorhergesagten 'Planckschen Relikte' zur Dunklen Materie beitragen. Der Nachweis ihrer Gravitationseffekte würde direkte Unterstützung für die Theorie liefern.
Darüber hinaus könnten Spuren der vorgeschlagenen 7-dimensionalen Geometrie im Kosmischen Mikrowellenhintergrund oder in primordialen Gravitationswellen aus dem frühen Universum erhalten sein.
Indem die Studie Schwarze Löcher, Quanteninformation, zusätzliche Dimensionen und das Higgs-Feld in einem einzigen Rahmen verbindet, bietet sie einen ambitionierten Versuch, mehrere herausragende Probleme der fundamentalen Physik gleichzeitig anzugehen.
