- Das Universum wird oft durch die Untersuchung seiner ExtremfĂ€lle verstanden. Schwarze Löcher sind die rĂ€tselhaften Extreme des Kosmos. Extremale Schwarze Löcher haben maximale Ladung oder Spin und auĂergewöhnliche Eigenschaften. Extreme Schwarze Löcher dienen als nĂŒtzliche Modelle zur Erforschung der Gesetze der Physik. Neue Beweise zeigen, dass extremale Schwarze Löcher nach bekannten physikalischen Gesetzen möglich sind.
- Extremale Schwarze Löcher besitzen maximale Ladung oder Spin entsprechend ihrer Masse. OberflÀchengravitation am Ereignishorizont eines extremalen Schwarzen Lochs ist null. Prominente Physiker behaupteten 1973, dass extremale Schwarze Löcher in der realen Welt nicht existieren können. Extremale Schwarze Löcher haben Symmetrien, die theoretische Berechnungen erleichtern.
- Neue Forschung widerlegt Hawking und Kollegen, dass extremale Schwarze Löcher nicht existieren können. Der Beweis zeigt, dass nichts in bekannten Gesetzen die Bildung solcher Löcher verhindert. Die Existenz extremaler Schwarzer Löcher könnte das VerstÀndnis des Universums erweitern. Eine mathematische Lösung bedeutet nicht automatisch physikalische Existenz.
- 1973 wurden vier Gesetze ĂŒber das Verhalten von Schwarzen Löchern vorgeschlagen. Die ersten drei Gesetze der Thermodynamik Schwarzer Löcher wurden bewiesen. Das dritte Gesetz besagt, dass die OberflĂ€chengravitation in endlicher Zeit nicht null kann. Extremale Schwarze Löcher wurden als theoretisch unmöglich angesehen. Nackte SingularitĂ€ten ohne Ereignishorizont gelten als nicht existent.
- Extremale Schwarze Löcher wurden zufĂ€llig durch Studien zu geladenen Schwarzen Löchern entdeckt. Neue Beweise widerlegen das dritte Gesetz von Bardeen, Carter und Hawking. Durch Modellieren eines Skalarfeldes wurden extremale Schwarze Löcher aufgeladen. Impulse aus dem Feld erhöhten die Ladung schneller als die Masse. Weitere Beweise werden ĂŒberprĂŒft, um die neuen Theorien zu bestĂ€tigen.
Um das Universum zu verstehen, blicken Wissenschaftler oft auf seine RandfĂ€lle. âMan will immer die ExtremfĂ€lle kennen – die besonderen FĂ€lle, die am Rand liegenâ, sagte ein mathematischer Physiker an der University of Southampton. Schwarze Löcher sind die rĂ€tselhaften Extreme des Kosmos. In ihnen wird Materie so dicht gepackt, dass nach Einsteins allgemeiner RelativitĂ€tstheorie nichts entkommen kann. Seit Jahrzehnten nutzen Physiker und Mathematiker sie, um die Grenzen ihrer Ideen ĂŒber Gravitation, Raum und Zeit zu erforschen. Aber selbst Schwarze Löcher haben RandfĂ€lle â und diese FĂ€lle bieten eigene Erkenntnisse.
Extremale Schwarze Löcher
Schwarze Löcher rotieren im Raum. Wenn Materie in sie hineinfĂ€llt, beginnen sie schneller zu rotieren; wenn diese Materie eine elektrische Ladung besitzt, werden sie auch elektrisch geladen. Theoretisch kann ein Schwarzes Loch einen Punkt erreichen, an dem es so viel Ladung oder Spin wie möglich hat, gegeben seine Masse. Ein solches Schwarzes Loch nennt man “extremal” – das Extrem der Extreme. Diese Schwarzen Löcher haben einige bizarre Eigenschaften. Insbesondere die sogenannte OberflĂ€chengravitation am Rand, oder Ereignishorizont, eines solchen Schwarzen Lochs ist null. âEs ist ein Schwarzes Loch, dessen OberflĂ€che keine Dinge mehr anziehtâ, sagte ein Wissenschaftler. Aber wenn man ein Teilchen leicht in Richtung des Zentrums des Schwarzen Lochs stöĂt, könnte es nicht entkommen.
1973 behaupteten die prominenten Physiker Stephen Hawking, James Bardeen und Brandon Carter, dass extremale Schwarze Löcher in der realen Welt nicht existieren können – dass es einfach keine plausible Art gibt, wie sie sich bilden können. Trotzdem dienten extremale Schwarze Löcher in den letzten 50 Jahren als nĂŒtzliche Modelle in der theoretischen Physik. âSie haben schöne Symmetrien, die es einfacher machen, Dinge zu berechnenâ, sagte ein Wissenschaftler der University of Rhode Island, und dies ermöglicht es Physikern, Theorien ĂŒber die mysteriöse Beziehung zwischen Quantenmechanik und Gravitation zu testen.
Beweis gegen bestehende Theorien
Jetzt haben zwei Mathematiker Hawking und seine Kollegen widerlegt. Die neue Arbeit, durchgefĂŒhrt von Forschern des Massachusetts Institute of Technology und der Stanford University und der University of California, Berkeley, zeigt, dass es nichts in unseren bekannten physikalischen Gesetzen gibt, das die Bildung eines extremalen Schwarzen Lochs verhindert. Ihr mathematischer Beweis ist âschön, technisch innovativ und physikalisch ĂŒberraschendâ, sagte ein Mathematiker der Princeton University. Es deutet auf ein potenziell reicheres und vielfĂ€ltigeres Universum hin, in dem extremale Schwarze Löcher astrophysikalisch existieren könnten, fĂŒgte er hinzu.
Das bedeutet jedoch nicht, dass sie es sind. âNur weil eine mathematische Lösung existiert, die schöne Eigenschaften hat, bedeutet das nicht unbedingt, dass die Natur sie nutzen wirdâ, sagte ein Wissenschaftler. âAber wenn wir irgendwie eines finden, wĂŒrde uns das wirklich zum Nachdenken bringen, was wir ĂŒbersehen.â
Das Gesetz der Unmöglichkeit
Vor dem Beweis der neuen Theorie von Kehle und Unger gab es guten Grund zu glauben, dass extremale Schwarze Löcher nicht existieren können. 1973 fĂŒhrten Bardeen, Carter und Hawking vier Gesetze ĂŒber das Verhalten von Schwarzen Löchern ein. Sie Ă€hnelten den vier altbekannten Gesetzen der Thermodynamik – einem Satz unantastbarer Prinzipien, die beispielsweise besagen, dass sich das Universum im Laufe der Zeit mehr in Unordnung begibt und dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
In ihrer Arbeit bewiesen die Physiker ihre ersten drei Gesetze der Thermodynamik Schwarzer Löcher: das nullte, erste und zweite. Daraus schlussfolgerten sie, dass das dritte Gesetz (wie sein GegenstĂŒck in der Standardthermodynamik) ebenfalls wahr sein sollte, obwohl sie es noch nicht beweisen konnten. Dieses Gesetz besagte, dass die OberflĂ€chengravitation eines Schwarzen Lochs nicht in endlicher Zeit auf null sinken kann â mit anderen Worten, dass es keinen Weg gibt, ein extremales Schwarzes Loch zu schaffen.
Um ihre Behauptung zu stĂŒtzen, argumentierte das Trio, dass jeder Prozess, der es einem Schwarzen Loch ermöglichen wĂŒrde, die extremale Grenze zu erreichen, potenziell auch dazu fĂŒhren könnte, dass sein Ereignishorizont ganz verschwindet. Es wird allgemein angenommen, dass Schwarze Löcher ohne Ereignishorizont, sogenannte nackte SingularitĂ€ten, nicht existieren können.
Der Tod des dritten Gesetzes
Kehle und Unger entdeckten extremale Schwarze Löcher eher zufĂ€llig. Sie waren dabei, die Bildung elektrisch geladener Schwarzer Löcher zu studieren und fanden heraus, dass sie ein Schwarzes Loch fĂŒr alle Ladungs-Masse-VerhĂ€ltnisse schaffen konnten.
Dafermos erkannte, dass seine ehemaligen Studenten ein Gegenbeispiel zum dritten Gesetz von Bardeen, Carter und Hawking gefunden hatten: Sie hatten gezeigt, dass sie tatsĂ€chlich innerhalb einer endlichen Zeitspanne ein typisches Schwarzes Loch in ein extremales umwandeln konnten. Kehle und Unger starteten mit einem Schwarzes Loch ohne Rotation und ohne Ladung und modellierten, was passieren könnte, wenn es in ein vereinfachtes Umfeld namens Skalarfeld gesetzt wĂŒrde, das eine Hintergrundladung von gleichmĂ€Ăig verteilten Teilchen annimmt. Sie beschossen das Schwarze Loch mit Impulsen aus dem Feld, um es aufzuladen.
Diese Impulse fĂŒgten dem Schwarzen Loch auch elektromagnetische Energie hinzu, was seine Masse erhöhte. Durch das Senden diffuser, niederfrequenter Impulse erkannten die Mathematiker, dass sie die Ladung des Schwarzen Lochs schneller als seine Masse erhöhen konnten â genau das, was sie fĂŒr ihren Beweis brauchten.
Die beiden Mathematiker ĂŒberarbeiten derzeit weitere Beweise, um die Theorien zu festigen.
