Löst Hawking das Informationsparadoxon?

2004-07-22 Daniel Grumiller

Gestern gab einer der wohl prominentesten theoretischen Physiker, Stephen Hawking, auf einer Konferenz in Dublin bekannt das Informationsproblem gelöst zu haben. Naturgemäß stiess dies nicht nur bei den Experten auf Interesse sondern auch bei der Presse. Hawking wurde durch sein eigenes Resultat gezwungen den Verlust einer Wette mit Kip Thorne und John Preskill einzugestehen und übergab letzterem feierlich eine Enzyklopädie über Baseball.

Das Informationsproblem (oder -paradoxon) entsteht durch den Effekt der Hawkings Namen trägt: Hawkingstrahlung ist semiklassisch für Informationsverlust verantwortlich. Das Argument geht grob gesprochen wie folgt: nehmen wir an, wir hätten einen reinen Quantenzustand als Anfangszustand der so beschaffen ist dass zu einem späteren Zeitpunkt durch gravitationellen Kollaps ein Schwarzes Loch entsteht. Sobald der Formationsprozess abgeklungen ist wird das Schwarze Loch nur mehr durch eine handvoll Parameter bestimmt (Masse, Spin und diverse Ladungen) und der Hawkingeffekt wird relevant: durch Erzeugung von virtuellen Teilchen- Antiteilchenpaaren nahe des Horizontes koennen Teilchen mit positiver Energie dem schwarzen Loch entkommen, während Teilchen mit negativer Energie in das Schwarze Loch hineinfallen und ihm auf diese Weise Energie entziehen. Die daraus resultierende Strahlung hat ein thermisches Spektrum. Sobald das Schwarze Loch komplett verdampft ist bleibt nur mehr die thermische Strahlung im Endzustand übrig. Thermische Strahlung ist aber ein gemischter Zustand. Das heisst, in Summe hätte man auf diese Weise eine zeitliche Entwicklung von einem reinen Zustand in einen gemischten, im Widerspruch zu einer der fundamentalen Voraussetzungen der Quantenmechanik. Dieser Widerspruch ging als "Informationsparadoxon" in die Geschichte ein.

Dieses Problem besteht seit fast 3 Jahrzehnten und es gab zwei Lösungsansätze: Teilchenphysiker neigten eher zu der Vermutung dass es Mechanismen geben müsste, die diesen Informationsverlust verhindern sollten, während Gravitationsphysiker überwiegend der Ansicht waren, die Quantenmechanik müsse abgeändert werden. So erklärt sich auch die Wette zwischen den beiden Gravitationsphysikern Stephen Hawking und Kip Thorne auf der einen Seite und John Preskill auf der anderen Seite. John wettete um eine Enzyklopädie nach Wahl des Gewinners, dass es einen Mechanismus geben müsse, der den Informationsverlust verhindert - Kip und Stephen wetteten dagegen.

Es entbehrt nicht einer gewissen Ironie das ausgerechnet Hawking, einer der prominentesten und persistentesten Vertreter der Theorie des Informationsverlustes, offenbar eine Lösung gefunden hat die ohne Informationsverlust zurecht kommt.

Leider gab Stephen in seinem Vortrag auf der GR17 Konferenz in Dublin praktisch keine Details bekannt. Auch die detaillierten Fragen der Experten (u.A. Bill Unruh, Gary Horowitz und Robert Mann) wurden eher vage beantwortet und die community wurde auf einen e-print vertröstet der nächsten Monat erscheinen soll. Die Grundidee scheint folgende zu sein: im euklidischen Pfadintegralformalismus (laut Hawking der "einzige nichtperturbative Zugang zu Quantengravitation") summiert man unter anderem über alle Topologoien. Triviale Topologien erlauben ein time-slicing und somit eine unitäre Entwicklung während nichttriviale Topologien (wie z.B. die eines ewigen Schwarzen Loches) dies nicht erlauben und somit zu Informationsverlust führen. Hawkings Argument scheint zu sein, dass die nichttrivialen Topologien bei Streuexperimenten nicht beitragen und somit Unitarität gerettet ist. Allerdings ist es dem Autor dieses Berichtes nicht klar, wie dieser Mechanismus im Detail funktionieren soll (auch Bill Unruh äusserte ähnliche Bemerkungen in der Fragerunde nach Stephens Vortrag); auch die Tatsache dass Hawking für die Lösung asymptotisch Anti-deSitter-Raum annahm (in Widerspruch zu experimentellen Daten die eher auf deSitter hindeuten) sorgte für Skepsis - nach einer Lektüre des e-prints der (hoffentlich) im August erscheinen wird werden sich diese Fragen vermutlich klären.

Neben den Fragen der Experten gab es auch Fragen der Presse. Die Beantwortung einer Frage dauert bei Stephen sehr lange da er auf Grund seiner Krankheit die Antwort per Computer geben muss. Deshalb bat schlisslich Kip Thorne um eine letzte Frage von der Presse - möglichst eine die mit "Ja" oder "Nein" beantwortet werden kann. Die Frage lautete "Nachdem Sie nun eines der grössten Probleme gelösst haben dass Sie die letzten 3 Jahrzehnte beschäftigt hatte - was sind Ihre Pläne für die Zukunft?". Kip Thorne verfiel etwas als er die Frage hörte, denn offenbar konnte man sie weder mit "Ja" noch mit "Nein" sinnvoll beantworten - doch Stephen kam ihm zu Hilfe. Während Kip ihm noch mitteilte dass er ihm 5 Minuten für die Antwort gäbe, hö:rte man bereits die Computerstimme: "I don't know..."

Während Stephen Hawking nichts anders übrigblieb als den Verlust seiner Wette einzugestehen weigerte sich Kip Thorne die Sache als geklärt zu betrachten. Er will zumindest auf den e-print warten bevor er die Hälfte der Baseball-Enzyklopädie bezahlt...


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