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Eine Darstellung des sich krümmenden Raum-Zeit-Gefüges um ein Schwarzes Loch. Neue theoretische Forschung greift ein Problem auf, das Stephen Hawking und Kip Thorne beschäftigte: ob “nackte” Singularitäten aus seltenen Mustern in der Raumzeitgeometrie entstehen können.(Bildnachweis: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images)Diesen Artikel teilen 0DiskutierenSie mitFolgen Sie unsFügen Sie uns als bevorzugte Quelle auf Google hinzuAbonnieren Sie unseren Newsletter
Eine neue theoretische Untersuchung untermauert die Idee, dass ein mathematisches Muster von Wellen in der Raumzeitgeometrie nackte Singularitäten und mikroskopisch kleine Schwarze Löcher hervorbringen könnte. Diese neue Erkenntnis fördert die Forschung in einem Thema, das Physiker seit Jahrzehnten beschäftigt.
Im Jahr 1997 gab Stephen Hawking eine Wette aus dem Jahr 1991 mit seinen Kollegen Kip Thorne und John Preskill auf, die sich um die mögliche Existenz nackter Singularitäten drehte: Objekte wie Schwarze Löcher, aber ohne einen Ereignishorizont (einen Punkt, jenseits dessen kein Licht und keine andere Materie entkommen kann), was sie beobachtbar macht. Hawking gab schließlich zu, dass solche Objekte existieren könnten. Thornes und Preskills Gewinn? T-Shirts, um ihre “Nacktheit” zu bedecken.
Der Beweis, der Hawking umstimmte, stammte vom Physiker Matthew Choptuik. Im Jahr 1993 untersuchte Choptuik eine bestimmte Menge von Lösungen zu Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Bei numerischer Lösung auf einem damals als Supercomputer geltenden Rechner zeigte er, wie unter sehr spezifischen Bedingungen hypothetisch nackte Singularitäten auftreten könnten.
Choptuik stellte fest, dass durch die Modellierung des Gravitationskollapses einer einfachen Materieform, wie einem Feld, und durch Feinabstimmung der Anfangsbedingungen ein instabiler Zustand konstruiert werden kann. Dieser theoretische Zustand wurde später als Raumzeit-Kristall bekannt – ein selbstorganisiertes, sich wiederholendes mathematisches Muster von Wellen in der Raumzeitgeometrie –, das eine Singularität mit unendlicher Krümmung (eine nackte Singularität) enthält. Da sich eine solche Singularität nicht innerhalb eines Schwarzen Lochs bilden würde, könnte sie theoretisch beobachtbar sein.
Aber ähnlich wie beim Phasenübergang von flüssigem Wasser zu Eis ist dieser Zustand heikel, wobei das Feld am Rande zwischen dem Zerfall zu leerem Raum oder der Bildung eines mikroskopisch kleinen Schwarzen Lochs schwankt.
Es bestanden jedoch erhebliche Zweifel an der theoretischen Existenz eines solchen Zustands.
“Immer wenn man ein System in einem numerischen Code formuliert, hat man immer ein Problem, weil man nur eine endliche Anzahl von Ziffern auf einem Computer darstellen kann”, sagte der Mitautor der Studie, Christian Ecker, ein Astrophysiker an der Goethe-Universität in Deutschland, gegenüber Live Science. “Die historischen Computersimulationen konnten nur bis zu einem gewissen Punkt gehen, bevor Ungenauigkeiten unvermeidlich wurden.”
Obwohl neuere numerische Methoden eine viel höhere Genauigkeit bieten, sind sie nicht exakt und können niemals ein tiefes Verständnis des Phänomens liefern, das traditionelle analytische Methoden (wie die Manipulation von Gleichungen mittels Algebra und Infinitesimalrechnung) bieten.
In der neuen Studie, die am 12. Mai in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, beschrieben die Forscher die Entstehung von Raumzeit-Kristallen, nackten Singularitäten und mikroskopisch kleinen Schwarzen Löchern präzise.
Eine Darstellung eines Raumzeit-“Kristalls” (links) im Vergleich zu einem natürlichen Kristallgitter (rechts).
(Bildnachweis: TU Wien)Eine Stift-und-Papier-Lösung
Sie erreichten dies mit nur Stift und Papier und etwas mathematischer Finesse. “Immer wenn Physiker einen kleinen Parameter finden, freuen sie sich, weil sie zuerst die Gleichungen lösen können, wenn dieser Parameter Null ist, und dann kleine Korrekturen mit der Standard-Störungstheorie hinzufügen können”, sagte Mitautor Daniel Grumiller, ein Astrophysiker am Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Wien, gegenüber Live Science. “Die allgemeine Relativitätstheorie selbst hat keinen kleinen Parameter, aber wenn man einen kleinen Parameter einführt [eins geteilt durch die Anzahl der Dimensionen und diese Zahl sehr groß sein lässt]… dann kann man diese perturbativen Werkzeuge verwenden und an sonst sehr schwierige Gleichungen herankommen.”
Wenn die Anzahl der Dimensionen gegen unendlich geht, passte die exakte Lösung des Teams auf nur wenige Zeilen. Diese Lösung ist unrealistisch, da wir höchstwahrscheinlich nicht in einem Universum mit unendlich vielen Dimensionen leben. Als sie jedoch die Anzahl der Dimensionen auf realistischere Zahlen reduzierten, erforderte die Lösung zusätzliche Terme, die die Ausdrücke immer komplizierter machten.
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“Die niedrigste Dimension, mit der wir uns bisher konsistent verbinden können, ist 52, aber die numerischen Daten reichen nur bis zur 14. Dimension – es gibt also eine Lücke”, sagte Grumiller und bezog sich damit auf die Tatsache, dass weder Stift-und-Papier- noch numerische Techniken bisher genau genug sind, um sich zu treffen.
“In Zukunft planen wir, die Numerik auf höhere Dimensionen auszudehnen, damit wir die beiden tatsächlich verbinden können”, fügte Grumiller hinzu.
Dies würde einen überzeugenden Fall dafür liefern, dass Raumzeit-Kristalle, nackte Singularitäten und mikroskopisch kleine Schwarze Löcher in einem Universum wie unserem mathematisch möglich sind – es würde jedoch immer noch nicht beweisen, dass sie in der Realität existieren. Letztendlich hat Hawking diese T-Shirts vielleicht zu früh verliehen.
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Sourse: www.livescience.com
