Physiker haben den unsichtbaren Rand eines Schwarzen Lochs beschrieben

Nun haben Forscher diese Zustände mithilfe der Stringtheorie beschrieben. Das Wichtigste dabei ist: Die Berechnung war endlich, das heißt, sie lief nicht ins Unendliche aus, wie es in herkömmlichen Quantentheorien bei sehr kleinen Abständen häufig der Fall ist.

Die Arbeit wurde in „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Details

In der Physik ist ein Horizont eine Grenze. Das bekannteste Beispiel ist der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs. Es gibt auch andere Horizonte, beispielsweise in Modellen eines expandierenden Universums.

Wenn Physiker den Raum in zwei Bereiche unterteilen – einen zugänglichen und einen unzugänglichen –, können an der Grenze zusätzliche Quantenzustände entstehen. Man bezeichnet sie als „Edge Modes“ oder Randmoden. Einfacher ausgedrückt handelt es sich um Zustände, die nicht irgendwo „in den Tiefen“ des Raums existieren, sondern nahe seinem Rand.

Solche Zustände sind wichtig, da sie mit der Entropie des Horizonts in Verbindung stehen können. Und die Entropie von Schwarzen Löchern ist eine der zentralen Fragen der modernen Physik: Wenn ein Schwarzes Loch Temperatur und Entropie besitzt, muss es dafür mikroskopische Zustände geben.

Worin lag das Problem?

In der üblichen Quantenfeldtheorie führen Berechnungen in der Nähe des Horizonts häufig zu Unendlichkeiten. Dies geschieht, weil die Theorie unendlich viele winzige Schwingungen direkt an der Grenze zulässt.

Die Stringtheorie ist anders aufgebaut. In ihr werden Teilchen nicht als Punkte, sondern als winzige „Strings“ betrachtet. Dadurch verhält sich die Theorie bei extrem kleinen Abständen „weicher“ und kann bestimmte mathematische Unendlichkeiten vermeiden.

Die Autoren der Arbeit – Atish Dabholkar, Eleanor Harris und Upamanyu Moitra – haben untersucht, ob sich die Randzustände des Horizonts so beschreiben lassen, dass das Ergebnis mit der Stringtheorie vereinbar ist und endlich bleibt. In ihrem veröffentlichten Artikel zeigten sie, dass sich nach Summierung der Beiträge aller Stringfelder eine modular-invariante und im ultravioletten Bereich endliche Verteilungsfunktion ergibt.

Einfach ausgedrückt

Die herkömmliche Theorie scheint zu besagen: Am Rand des Horizonts gibt es unendlich viele winzige quantenmechanische „Rauschen“, und die Mathematik kommt damit nicht zurecht.

Die Stringtheorie bietet eine andere Sichtweise: Auf den kleinsten Skalen besteht das Universum nicht aus Punktteilchen. Daher lässt sich der Raum nicht unendlich unterteilen. In der neuen Berechnung half dies dabei, die Zustände am Horizont ohne mathematische Explosion zu beschreiben.

Ganz kurz gesagt: Die Physiker haben einen Weg gefunden, den quantenmechanischen „Rand“ des Horizonts so zu berechnen, dass das Ergebnis endlich ist.

Warum dies wichtig ist

Schwarze Löcher stellen Physiker seit langem vor ein Rätsel. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie sind dies Objekte, aus denen nichts entweichen kann. Die Quantenphysik besagt jedoch, dass am Horizont feine Prozesse ablaufen müssen, die mit Information, Temperatur und Entropie zusammenhängen.

Die neue Arbeit löst nicht alle diese Probleme. Sie liefert jedoch eine präzisere Sprache zur Beschreibung der Quantenzustände am Horizont. In dem Artikel wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Ergebnis durch die Zählung der Zustände interpretiert werden kann, was für das Verständnis der mikroskopischen Natur der Entropie am Horizont von Bedeutung ist.

Einfacher ausgedrückt: Dies ist ein Schritt hin zur Beantwortung der Frage, woraus die Quanteninformation am Rand eines Schwarzen Lochs „besteht“.

Hintergrund

Der Horizont eines Schwarzen Lochs ist keine feste Oberfläche. Es handelt sich um eine Grenze in Raum und Zeit: Wer sie überschreitet, kann nicht mehr nach außen zurückkehren.

In der Quantenphysik erweisen sich Grenzen jedoch oft als nicht leer. An ihnen können zusätzliche Zustände auftreten. Ähnliche Ideen finden sich nicht nur in der Physik der Schwarzen Löcher, sondern auch in anderen Bereichen, beispielsweise in Systemen mit quantenmechanischen Randeffekten.

Genau aus diesem Grund ist es für Physiker wichtig zu verstehen, wie solche Zustände an den Horizontalen aufgebaut sind. Gelingt es, diese korrekt zu berechnen, könnte dies die Wissenschaft einer umfassenderen Verbindung zwischen Quantenmechanik und Gravitation näherbringen.

Quelle

Studie: Atish Dabholkar, Eleanor Harris, Upamanyu Moitra – „Edge Modes on Stringy Horizons“, Physical Review Letters, 2026.