Quanta-Magazin

2. August 2023

Würde ein Astronaut in einem Schwarzen Loch die gleiche Realität beschreiben wie ein Astronaut draußen?

Kouzou Sakai für Quanta Magazine

Angestellter Autor

2. August 2023

Im August 2013 trafen sich Dutzende renommierter theoretischer Physiker in Santa Barbara, Kalifornien, um über eine Krise zu diskutieren. Ihr dürftiges Verständnis von Schwarzen Löchern zerfiel. Aus der Ferne betrachtet, wie durch ein Teleskop, sollte sich ein Schwarzes Loch wie ein Planet, ein Stern oder ein anderes Konglomerat aus Elementarteilchen verhalten. Aber wenn die Physiker der Arbeit von Albert Einstein glaubten, was die meisten von ihnen taten, dann ergaben sich unmögliche Konsequenzen, wenn sie das Schwarze Loch aus der Sicht einer Person betrachteten, die sich direkt innerhalb seiner Grenzen befand.

Ein Gedankenexperiment im vergangenen Jahr hatte diesen Konflikt der Perspektiven verschärft und einen zwei Jahrzehnte währenden Waffenstillstand zwischen denen, die glaubten, dass die Außenansicht das Wichtigste sei, und denen, die sich auf die Innenansicht konzentrierten, abrupt beendet. Plötzlich standen alle möglichen unantastbaren physischen Überzeugungen zur Debatte. Diejenigen, die hinter dem Gedankenexperiment standen, schlugen verzweifelt vor, dass das Innere von Schwarzen Löchern möglicherweise einfach nicht existierte – dass die Raumzeit am Rande des Schwarzen Lochs in einer buchstäblichen Feuerwand endete.

Als Erweiterung dieser Überlegungen schlug ein Teilnehmer der Konferenz sogar vor, größtenteils im Scherz, dass das Paradoxon zu implizieren scheine, dass die bekannten Gesetze der Physik immer und überall zusammenbrechen könnten, eine Beobachtung, die ein Comedy Cellar-würdiges Lachen einbrachte . Einer der jüngeren Teilnehmer, Daniel Harlow, nahm das Mikrofon und reagierte mit einem einzigen ungläubigen „Alter“, bevor er das Gespräch wieder auf weniger ketzerisches Terrain lenkte.

„Es gab nur eine Hektik des Brainstormings“, sagte Patrick Hayden, ein Informatiker, der zum Physiker an der Stanford University wurde. „Die Bereitschaft der Menschen, sich mit verrückten Ideen auf die Probe zu stellen, war schockierend.“

Nach einem weiteren Jahrzehnt des Argumentierens und Berechnens glaubt Harlow, jetzt leitender Physiker am Massachusetts Institute of Technology, dass er und ein Team aufstrebender Theoretiker endlich den Weg oder zumindest einen Weg gefunden haben, das Äußere auszugleichen und Innenansichten. Damit haben sie eine Art Entspannung zwischen den verfeindeten Welten der Relativitätstheorie und der Quantentheorie herbeigeführt. Ihre Resolution, die weit verstreute Ideen aus der Quanteninformationstheorie und bahnbrechende Berechnungen aus dem Jahr 2019 miteinander verbindet, ist ein kopfzerreißender und hart erkämpfter Versuch, das Äußere zu haben und gleichzeitig einen Großteil des Inneren zu behalten.

„Es ist ihnen gelungen zu zeigen, dass diese Spannung zumindest im Prinzip gelöst werden kann“, sagte Tom Hartman, ein Physiker an der Cornell University, der in einem anderen Modell der Schwerkraft ein Flaggschiffmerkmal ihrer Theorie gefunden hat.

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Stephen Hawking sagte voraus, dass Schwarze Löcher Strahlung aussenden, und löste damit eine seit 50 Jahren andauernde Debatte aus.

Santi Visalli/Getty Images

Während ihr Verfahren derzeit nur mit einer nackten Karikatur eines Schwarzen Lochs funktioniert, erfasst es viele der besonderen Merkmale der kollabierten Sterne. Wenn dies auf echte Schwarze Löcher zutrifft, wird es eine Reihe klassischer Fragen zu Schwarzen Löchern schlüssig beantworten – von dem, was eine Astronautin erleben würde, wenn sie in ein Schwarzes Loch fällt, bis hin zum endgültigen Schicksal der in der Anordnung ihrer Moleküle enthaltenen Informationen.

„Es stellt gewissermaßen eher das Ende einer Revolution als einen Anfang dar“, sagte Geoff Penington, Physiker an der University of California in Berkeley und Mitwirkender an der neuen Arbeit.

"Es ist sehr aufregend. Es könnte falsch sein, aber ich denke, das ist die richtige Essenz“, sagte Oliver DeWolfe, Physiker an der University of Colorado in Boulder und einer von wenigen Forschern, die im letzten Jahr auf dem Vorschlag von Harlow und seinem Unternehmen aufgebaut haben.

Die Gruppe versucht, das Innere des Schwarzen Lochs durch das Zufügen einer Fleischwunde vor dem völligen Opfer zu bewahren: In einer ironischen Wendung schlagen Harlow und Co. vor, dass die bekannten Gesetze der Physik tatsächlich im Inneren eines Schwarzen Lochs zusammenbrechen – und vielleicht überall und zu jeder Zeit. Aber sie tun dies auf eine bisher unbekannte Art und Weise, die zu subtil ist, als dass irgendjemand es bemerkt hätte. Im Grunde liegt eine Einschränkung vor, die nicht von der Materie oder dem Stoff der Raumzeit herrührt. Vielmehr beruht es auf Argumenten zur Komplexität – den im Wesentlichen endlosen Möglichkeiten, die in riesigen Mengen an Quanteninformation enthalten sind.

Eine Sitzung im Santa Barbara Workshop wurde vom Hauptarchitekten der Revolution des Schwarzen Lochs geleitet. Der überlebensgroße Stephen Hawking verteidigte die Vorstellung, dass Raum und Zeit im Inneren des Schwarzen Lochs überleben, indem er von seinem Büro in Cambridge aus über eine riesige Projektorleinwand skypte. „Vor einiger Zeit habe ich einen Aufsatz geschrieben, der eine Kontroverse auslöste, die bis heute andauert“, begann er.

Im Mittelpunkt dieser Kontroverse steht die Tatsache, dass Schwarze Löcher Schauplätze für das größte Verschwinden im Universum zu sein scheinen.

Im Jahr 1974 berechnete Hawking, dass Quantenfluktuationen rund um den Ereignishorizont – die Sphäre ohne Wiederkehr, die ein Schwarzes Loch umgibt – Teilchenpaare erzeugen. Ein Partner fällt in das Schwarze Loch, während der andere entkommt. Mit der Zeit häufen sich die Partner sowohl innerhalb als auch außerhalb des Schwarzen Lochs, wo sie in einer sich ausdehnenden Wolke aus „Hawking-Strahlung“ fliegen.

Das Problem begann mit der Tatsache, dass nach den Begriffen der Quantenmechanik jedes Duo durch Verschränkung verbunden ist, was bedeutet, dass die beiden Teilchen gemeinsam eine Informationseinheit tragen. Jeder Partner ist wie die Vorderseite einer Münze, die zur Beantwortung einer Ja-oder-Nein-Frage verwendet werden kann. Diese einzelne Ja-oder-Nein-Kapazität wird „Bit“ oder „Qubit“ genannt, wenn das Objekt in einer Quantenkombination namens Superposition existieren kann. Aber im Gegensatz zu den beiden Seiten einer Münze können sich verschränkte Partikel trennen. Wenn jedoch bei einer Messung festgestellt wird, dass ein externer Partner „Kopf“ anzeigt, würde eine andere Messung mit Sicherheit feststellen, dass der interne Partner „Zahl“ anzeigt.

Dies scheint im Widerspruch zu einer zweiten Konsequenz von Hawkings Berechnung zu stehen. Wenn das Schwarze Loch Teilchen abstrahlt, verdampfen diese schließlich vollständig. Nach unzähligen Äonen bleibt nur noch die Strahlungswolke übrig. Aber weil jeder äußere Partner ein Stückchen mit seinem inneren Partner teilt, macht die Hawking-Strahlung allein genauso wenig Sinn wie ein Sparschwein voller einseitiger Münzen. Die Qubits mit Informationen im Inneren des Schwarzen Lochs, die das Leben des Schwarzen Lochs und alles, was hineingefallen ist, aufzeichnen, verschwinden scheinbar – eine absurde Entwicklung.

Video: David Kaplan erforscht eines der größten Geheimnisse der Physik: den scheinbaren Widerspruch zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik.

Verfilmung von Petr Stepanek. Schnitt und Bewegungsgrafiken von MK12. Musik von Steven Gutheinz.

„Es ist in Ordnung, solange das Zeug irgendwo drin ist“, sagte Samir Mathur, Physiker an der Ohio State University und einer der Koordinatoren der Konferenz 2013. „Aber wenn das Schwarze Loch verschwindet, haben die Leute draußen überhaupt keinen klaren Zustand mehr.“

Der rätselhafte Untergang alter Schwarzer Löcher veranlasste die Physiker, eine von zwei gegensätzlichen Ansichten zu vertreten, je nachdem, ob sie Einsteins Theorie der gekrümmten Raumzeit, bekannt als allgemeine Relativitätstheorie, oder der Quantenmechanik treu blieben. Hawking setzte viele Jahre lang auf Einstein. Wenn das Einfangen von Teilchen und das Löschen ihrer Qubits gegen ein quantenmechanisches Verbot einseitiger Münzen verstoßen, so Hawking, dann umso schlimmer für die Quantenmechanik.

Andere zogen es vor, ihr geistiges Auge außerhalb des Schwarzen Lochs zu behalten. Sie stellten sich auf die Seite der Quantenmechanik, die die romantische Vorstellung, dass Informationen niemals wirklich verloren gehen, strikt garantiert. Nach dem Verbrennen eines Tagebuchs kann man sich beispielsweise vorstellen, die Wolke aus Rauch, Asche und Hitze einzufangen und die verlorenen Sätze zu rekonstruieren. Ein Schwarzes Loch könnte die Partikel eines Tagebuchs heftiger durcheinanderwirbeln als ein Lagerfeuer, aber es würde die gleiche Logik gelten. Wenn nur noch die Hawking-Strahlung übrig war, müssen die Informationen des Textes irgendwie in den Raum gelangt sein – ganz zu schweigen davon, dass Einsteins Theorie der Raumzeit verlangt, dass sie darin gefangen bleibt.

Der letzte Teil des Paradoxons bestand darin, dass Hawkings Analyse ergeben hatte, dass die Strahlung völlig zufällig war – ohne jegliche zu entschlüsselnde Informationen. Seine Arbeit legte zwei widersprüchliche Schlussfolgerungen nahe: dass Schwarze Löcher verdampfen (was impliziert, dass Strahlung letztendlich die Informationen transportieren sollte) und dass die Strahlung keine Informationen trägt. Sie konnten nicht beide Recht haben, daher gingen die meisten Physiker davon aus, dass Hawking sich irgendwie geirrt hatte.

Aber sein Fehler war nicht offensichtlich. Hawking hatte sowohl die Strahlung als auch ihre Zufälligkeit entdeckt, indem er die Art und Weise analysierte, wie Quantenfelder in einer sanft gekrümmten Raumzeit wirken – ein streng getestetes Rahmenwerk, das als semiklassische Physik bekannt ist. Hawkings semiklassischer Ansatz stützte sich nur auf Aspekte der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie, die über jeden Zweifel erhaben schienen. Ähnliche Behandlungen bilden die Grundlage der meisten modernen Theorien, einschließlich des berühmten Standardmodells der Teilchenphysik.

Physiker gehen davon aus, dass die semiklassische Physik ins Stocken gerät, wenn die Schwerkraft zunimmt, wie dies im noch unergründlichen Zentrum eines Schwarzen Lochs weit außerhalb seines Ereignishorizonts der Fall ist. Aber bei großen Schwarzen Löchern dürfte der Ereignishorizont selbst weitgehend harmlos sein; Eine neugierige und gut ausgerüstete Astronautin könnte hineinfallen und lange überleben, bevor sie in der Nähe des Zentrums ihren unvermeidlichen Tod erleidet. Tatsächlich wirkt die Schwerkraft am Horizont des riesigen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87, dem ersten Schwarzen Loch, das direkt abgebildet wurde, nicht viel stärker als auf der Erde. Wenn Hawking fehlerhafte semiklassische Annahmen machte, gilt das auch für alle anderen auf dem Planeten. „Wenn die Gesetze der Physik, wie sie in der [semiklassischen Physik] beschrieben werden, hier auf der Erde funktionieren“, sagte Alex Maloney, Physiker an der McGill University, „warum sollten sie dann nicht am Ereignishorizont funktionieren?“

Nach jahrzehntelanger Debatte über Hawkings vermuteten Fehler versuchten einige Physiker, einen Waffenstillstand zwischen den beiden Seiten auszuhandeln. Im Jahr 1993 begann Leonard Susskind von der Stanford University, die Ansicht zu vertreten, dass es keinen Fehler gab. Grob gesagt entstand der Konflikt aus dem unrealistischen Wunsch, gleichzeitig das Innere und das Äußere des Schwarzen Lochs im Kopf zu behalten.

Stattdessen, so argumentierten Susskind und seine Mitarbeiter, sei das Signal, das ein Astronaut draußen erzählen würde, einfach anders als das, was ein herabstürzender Astronaut berichten würde. Ein weit entfernter Astronaut würde beobachten, wie sein Begleiter auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs landete, die sich wellenartig bewegte, während sie den Eindringling absorbierte. Sie würden zusehen, wie sich die Informationen über die Oberfläche des Schwarzen Lochs ausbreiten und schließlich als Strahlung verbrennen, ohne jemals darin zu verschwinden. Aus der Sicht der Begleiterin gelangt sie jedoch sicher in das schwarze Loch, wo sowohl sie als auch ihre Informationen gefangen bleiben. Ihr Bericht weicht von dem ihrer Freundin ab, aber wenn man bedenkt, dass sie ihrem Bericht nicht widersprechen kann, gibt es da wirklich ein Problem? Die beiden Erzählungen könnten sich in gewisser Weise ergänzen.

„Ich fand das immer verwirrend“, sagte Scott Aaronson, ein theoretischer Informatiker an der University of Texas in Austin, aber „die Leute haben sich ein oder zwei Jahrzehnte lang darauf festgelegt.“

Im Jahr 2012 kamen vier Physiker und machten das Komplementaritätsargument zunichte. Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski und James Sully – eine Gruppe, die üblicherweise mit ihren Initialen AMPS bezeichnet wird – beschrieb ein zweistufiges Gedankenexperiment, das es einem einzelnen Beobachter ermöglichen würde, zu beobachten, wie das Schwarze Loch an zwei Orten gleichzeitig Informationen versteckt.

Zunächst fängt ein Astronaut draußen jedes Teilchen auf, das ein Schwarzes Loch während des größten Teils seiner 1067-jährigen Lebensdauer aussendet. Geht man davon aus, dass Informationen in die Strahlung gelangen, müssen sich einige äußere Partner miteinander verstrickt haben und so bestimmte Zustände erhalten. Der Astronaut analysiert diese Partikel und bestätigt, dass sie miteinander verwickelt sind. „Gehen Sie davon aus, dass Sie ein sehr langes [Forschungs-]Stipendium haben“, sagte Aaronson.

Dann taucht sie in das Schwarze Loch ein und bestätigt, dass einige Partner, die sie draußen untersucht hat, auch mit Partnern im Inneren verwickelt sind. Hawkings semiklassische Berechnung deutet darauf hin, dass sie dies finden wird, was bedeutet, dass etwas, das außerhalb des Schwarzen Lochs wie faire zweiseitige Münzen aussah, im Inneren ein illegales drittes Gesicht verbirgt.

AMPS hatte bewiesen, dass es kein Verstecken vor Hawkings Paradoxon gab. Sie stellten sich widerstrebend auf die Seite der Quantenmechanik außerhalb des Schwarzen Lochs und opferten als Konsequenz den Raum im Inneren: Möglicherweise verdampfte das Schwarze Loch einfallende Materie mit einer „Firewall“ am Horizont und hinderte aufdringliche Astronauten daran, das Experiment zu beenden. „Das Schwarze Loch hat einfach überhaupt kein Inneres“, beschrieb Aaronson ihre Schlussfolgerung. „Wenn man versucht hineinzuspringen, stößt man auf das Ende der Raumzeit.“

Niemand hatte ein gutes Gefühl bei dieser Idee, da es in der semiklassischen Physik keinen Hinweis darauf gab, dass sich das Überqueren des Horizonts anders anfühlen sollte als das Überqueren der Grenze von Illinois nach Iowa. Die Gemeinde organisierte eine Reihe von Workshops, um Wege aus dem Schlamassel zu finden und gipfelte im Treffen in Santa Barbara.

„Wir hatten ein paar lustige Monate, in denen alle versuchten, diesen Streit zu entkräften, ohne Erfolg“, sagte Harlow.

Inmitten des Chaos ging Harlow eine Zusammenarbeit mit Hayden – damals Informatiker – ein, um zu untersuchen, was ein Astronaut braucht, um das AMPS-Experiment tatsächlich durchzuführen. Sie betrachteten das Schwarze Loch als Quantenverschlüsselungsgerät – etwas, das lesbare Informationen (normale Materie) aufnimmt und scheinbar verschlüsselte Informationen (die Strahlung) ausspuckt. In diesem Zusammenhang könnte man sich vorstellen, das AMPS-Experiment durchzuführen und dabei eine Maschine zum Entschlüsseln der Informationen einzusetzen – eine Maschine wie ein Quantencomputer. Und mit einem wichtigen Ergebnis aus Aaronsons Doktorarbeit über die Grenzen der Quantenberechnung entdeckten sie etwas Merkwürdiges.

Ein Schwarzes Loch pulverisiert einfallende Materie so gründlich, dass die Aufgabe Äonen dauern würde, wenn ein Astronaut tatsächlich einen Quantencomputer damit beauftragen würde, die Strahlung zu entschlüsseln. Es würde so lange dauern, dass das Schwarze Loch längst verschwunden wäre, bevor der Fortschrittsbalken auch nur den Bruchteil von 1 % erreicht hätte. Und bis dahin wäre der Astronaut nicht mehr in der Lage, hineinzuspringen, um nebenbei Informationen von außen über das Innere zu erhalten, weil das Innere nicht existierte.

„Das war eine Beobachtung, mit der wir eigentlich nichts anzufangen wussten“, sagte Harlow. „Endlich, 10 Jahre später, wissen wir, was wir damit machen sollen.“

Nach der Arbeit von 2013 legte Harlow die Schwarzen Löcher beiseite, um sich auf ein einfacheres Problem zu konzentrieren: den leeren Raum selbst. Er begann, einen unrealistischen Typ eines umgekehrten Raums zu untersuchen, der als Anti-de-Sitter-Raum bekannt ist und der ebenfalls zwei sehr unterschiedliche Beschreibungen zulässt, ähnlich wie es bei Schwarzen Löchern der Fall zu sein schien.

„Wenn ich den Anti-de-Sitter-Raum gut genug verstehe, wird mir das einen Weg weisen, wie es weitergeht, zurück zu den Schwarzen Löchern“, erinnerte sich Harlow. „Und das hat tatsächlich geklappt.“

MC Eschers Holzschnitt Circle Limit III aus dem Jahr 1959 zeigt die gleiche negative Krümmung wie ein Stück Anti-de-Sitter-Raumzeit.

MC Escher

Physiker sind vom Anti-de-Sitter-Raum fasziniert, weil er sich auf exotische Weise krümmt, sodass ein unendliches Raumvolumen in eine endliche Grenze passt. Noch auffälliger ist, dass es offenbar eine Möglichkeit gibt, jedes im Anti-de-Sitter-Raum stattfindende Ereignis in Form von an der Grenze lebenden Teilchen umzudeuten, die völlig anderen physikalischen Regeln unterliegen. Ein Sonnensystem in der zentralen Anti-de-Sitter-Region kann beispielsweise als eine Ansammlung von an der Grenze verstreuten Teilchen beschrieben werden, die nur der Quantentheorie gehorchen und überhaupt kein Gefühl für Schwerkraft oder Raumzeit haben.

Die Hauptfrage für Harlow war, wie die Teilchen an der Grenze, die keine Vorstellung von Raumzeit haben, möglicherweise die Erfahrung eines Bewohners eines Planeten in der Zentralregion einfangen könnten, für den die Raumzeit unbestreitbar wichtig ist. Naiverweise könnten wir damit rechnen, auf ein Problem zu stoßen, bei dem Grenzereignisse augenblicklich in der Mitte nachwirken könnten – ein Ort, an dem die Ausbreitung von Auswirkungen Zeit brauchen sollte. Aufgrund dieses Problems sollte die Beziehung zwischen den Grenzpartikeln und der zentralen Raumzeit locker sein, sodass Grenzänderungen sich nicht sofort auf die Mitte auswirken, aber nicht so locker sein, dass die Grenze völlig den Überblick darüber verliert, was im Zentrum vor sich geht .

„Man muss von allen Teilen des Systems unabhängig sein, aber nicht unabhängig vom System, das ist wie aaargh“, sagte Harlow und warf frustriert die Hände hoch.

Schließlich erkannte Harlow, dass eine Gruppe von Forschern das Problem bereits gelöst hatte. Sie hatten überhaupt nicht über die Struktur der Raumzeit nachgedacht. Sie erfanden Möglichkeiten für Quantencomputer, ihre Fehler zu korrigieren.

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie die Fehlerkorrektur die von Harlow gesuchte Goldlöckchen-Beziehung verkörpert, betrachten Sie ein einfaches Schema zum Codieren einer klassischen Ein-Bit-Nachricht in eine Drei-Bit-Übertragung. Um 1 anzuzeigen, senden Sie 111. Um 0 anzuzeigen, senden Sie 000. Selbst wenn ein Fehler auftritt, kann der Empfänger einfach eine Mehrheitsentscheidung treffen. Es wird immer noch verstehen, dass 001 0 oder 011 1 bedeutet. Ein einzelner Fehler verdirbt die Nachricht nicht, da die Informationen in allen Ziffern enthalten sind. Die Botschaft ist unabhängig von jedem einzelnen Stück, aber nicht unabhängig von der gesamten Übertragung – genau das, was Harlow brauchte. Die Korrektur von Quantenfehlern in Qubits (im Gegensatz zu klassischen Bits) erfordert kompliziertere Schemata, aber beiden Problemen ist die Eigenschaft gemeinsam, dass Informationen zwischen mehreren Teilen verschmiert werden. Im Jahr 2014 arbeitete Harlow mit Almheiri von AMPS und Xi Dong von der University of California, Santa Barbara, zusammen, um zu erklären, wie Quantenfehlerkorrekturcodes Anti-de-Sitter-Raumzeitinformationen zwischen Grenz-Qubits verteilen könnten.

Der Kern der Idee war folgender. Stellen Sie sich den zentralen Punkt im Anti-de-Sitter-Raum als eine Ein-Bit-Nachricht vor. Die Grenzteilchen sind die Ziffern der Übertragung. Teilen Sie die Grenze in drei Bögen. Die Teilchen eines Bogens kennen die Anti-de-Sitter-Punkte innerhalb der angrenzenden Region. Aber sie wissen nichts über Punkte außerhalb dieser Region. Kein einzelner Bogen kennt den zentralen Punkt, eine Situation, die daran erinnert, dass keine einzige Übertragungsziffer ausreicht, um die Nachricht zu rekonstruieren.

Im Anti-de-Sitter-Raum wissen Teilchen entlang jeder der drei Grenzen, hier mit A, B und C bezeichnet, nur etwas über die Punkte in der angrenzenden Region.

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Der Mittelpunkt liegt jedoch innerhalb des kombinierten Bereichs, der zu zwei beliebigen Bögen gehört – was widerspiegelt, wie zwei Übertragungsziffern ausreichen, um die Nachricht zu entschlüsseln. Auf diese Weise schien die Fehlerkorrektur eine geeignete Sprache zu sein, um den leeren Anti-de-Sitter-Raum aus zwei Perspektiven zu verstehen: entweder als Vanilla-Raumzeit oder, interessanterweise, als eine Ansammlung raumloser Quanten-Qubits.

Kombinieren Sie zwei beliebige Regionen, und die Grenzpartikel entlang dieser größeren Region können nun den Punkt in der Mitte erkennen. Von links: Die Kombination der Regionen A und B, B und C sowie C und A.

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„Das ist irgendwie überraschend“, sagte DeWolfe. Quanteninformationen dienen nicht nur dem Bau von Quantencomputern. „Es stellt sich heraus, dass dies Ideen sind, die wichtig genug sind, dass die Quantengravitation sie zu nutzen scheint.“

Harlow war es gelungen, die beiden Sichtweisen auf Raum und Zeit miteinander zu verbinden. Das einzige Problem bestand darin, dass der Rahmen seinen beabsichtigten Zweck nicht erfüllte. Als die Raumzeit ein Schwarzes Loch enthielt, versagte die Quantenfehlerkorrektur.

Bereits 2012 hatten Physiker die Idee geäußert, das Innere des Schwarzen Lochs mit fehlerkorrigierenden Codes anzugehen. Aber einmal mehr hatten die widersprüchlichen Perspektiven in Hawkings Berechnungen sie verblüfft. Ein Astronaut innerhalb des Ereignishorizonts würde einfallende Strahlungspartner auf unbestimmte Zeit regnen sehen. Die Informationskapazität des Schwarzen Lochs steigt im Laufe seines Lebens immer weiter an, wenn man es sich als kosmische Festplatte vorstellt.

Währenddessen würde ein Astronaut, der sich in seinen goldenen Jahren außerhalb eines Schwarzen Lochs befindet, beobachten, wie es durch die Verdunstung buchstäblich kleiner wird. Um das Ziel zu erreichen, die beiden Perspektiven durch Fehlerkorrektur in Einklang zu bringen, brauchte Harlow anscheinend eine Möglichkeit, das wachsende Innere in seine schrumpfende Grenze einzukodieren, eine Aufgabe, als würde man einen Seemann bitten, die Nachricht „SOS“ in eine einstellige Übertragung einzufügen.

„Die Geschichte schloss das Innere von Schwarzen Löchern aus“, sagte Christopher Akers, ein Forscher am MIT, der sich 2016 als Student im zweiten Jahr von einem einflussreichen Fehlerkorrekturpapier von Harlow inspirieren ließ. „Das kam mir komisch vor, deshalb habe ich viel Zeit damit verbracht, darüber nachzudenken, wie man Schwarze Löcher besser einbeziehen könnte.“

Er würde vier Jahre brauchen, um eines zu finden, und ein weiteres Jahr, um Harlow davon zu überzeugen, dass es irgendeinen Sinn ergab.

Während Harlow und Akers getrennt über das Innere eines Schwarzen Lochs rätselten, stand eine Gruppe von Forschern kurz davor, das Äußere zu knacken. Penington, ein aufstrebender britischer Physiker, war einer der Schlüsselakteure. Er hatte das Firewall-Drama auf der Konferenz in Santa Barbara verpasst, da er 2013 21 Jahre alt war und sich mitten in seinem Grundstudium an der Universität Cambridge befand.

Als Penington 2015 als angehender Doktorand Stanford besuchte, fühlte er sich hin- und hergerissen zwischen dem Studium der Quantengravitation und der Quanteninformation für seine Doktorarbeit. Dann traf er Hayden. Penington war überrascht, als er erfuhr, dass seine Mutter – Frances Kirwan, eine Mathematikerin in Oxford – eine von Haydens Betreuerinnen gewesen war und dass Hayden, ein gebürtiger Kanadier, seiner Mutter bei der Planung einer Kanutour ins ländliche Ontario geholfen hatte, die er damals unternommen hatte Er war 8 Jahre alt. Noch überraschter war er, als er erfuhr, dass Hayden im Mittelpunkt der Bemühungen stand, Schwarze Löcher mit Qubits zu erklären und Peningtons zwei Interessen miteinander zu verbinden. Das Paar beschloss, zusammenzuarbeiten.

Hayden und Penington begannen mit einem ihrer Meinung nach abstrakten Problem über unvollständige Fehlerkorrekturcodes und veröffentlichten 2017 ein aufsehenerregendes Quanteninformationspapier. In dieser Arbeit wurden weder Schwarze Löcher noch die Raumzeit erwähnt, aber im nächsten Jahr brachten sie ihre Codes dazu Anti-de-Sitter-Raum. Schließlich kam Penington nach einer Formel, die 2014 von Netta Engelhardt, einer ebenfalls tausendjährigen Physikerin, entwickelt wurde, zu dem Verdacht, dass eine bestimmte Region des Anti-de-Sitter-Raums die Entropie verfolgte, eine Größe, die mit der Informationskapazität der Wolke aus verschränkter Hawking-Strahlung zusammenhängt quillt aus einem schwarzen Loch. Er verbrachte den Winter 2018-2019 damit, im Alleingang die Details auszuarbeiten, um seine Vermutung zu überprüfen.

„Das ist das Schwierigste, was ich jemals in meinem Leben kontinuierlich an Physik gearbeitet habe“, sagte Penington. „Ich war über Weihnachten im Urlaub in Mexiko, habe aber die ganze Zeit insgeheim darüber nachgedacht. Meine Freunde fragten immer wieder: ‚Warum bist du so still?‘“

Etwa zur gleichen Zeit arbeitete Engelhardt an einer im Wesentlichen identischen Berechnung. Anfang 2019 schloss sie sich mit Almheiri und Marolf von AMPS und Henry Maxfield in Stanford zusammen, um mithilfe der Formel von 2014, die die Entropie in einer Situation mit Schwerkraft angibt, die Informationen in der verschränkten Strahlung außerhalb des Schwarzen Lochs zu untersuchen.

Die beiden Teams erhielten die gleiche Antwort, die sie im Mai 2019 in koordinierten Papieren enthüllten. Die Berechnungen liefen darauf hinaus, die „Köpfe“ in der Außenstrahlung zu zählen – was Aufschluss darüber gibt, wie viele verschlungene „Schwänze“ im Inneren des Schwarzen Lochs verborgen sind. Bei jungen, leeren Schwarzen Löchern steigt die Anzahl der getrennten Münzflächen, wenn der Ereignishorizont Hawking-Paare spaltet, genau wie Hawking erwartet hatte. Aber mit zunehmendem Alter beginnt die Zahl der getrennten Flächen zu sinken – was bedeutet, dass sich das Schwarze Loch gefüllt hat und irgendwie Informationen an die äußere Strahlung abgibt, genau wie es die Quantenmechanik erfordert.

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„Diese Maizeitungen waren wirklich großartig“, sagte Harlow. Er war beeindruckt, dass sie „den Mut hatten, die Berechnung durchzuführen“. Ich hätte gedacht, dass es zu schwer ist.“

Endlich glaubten Penington, Engelhardt und ihre Mitarbeiter zu verstehen, was außerhalb des Schwarzen Lochs geschah. Tatsächlich gelangten Informationen in die Strahlung, wie viele Physiker angenommen hatten. Diese Tatsache hatte drei entscheidende Konsequenzen.

Erstens schränkte es die Möglichkeiten für Hawkings Fehler ein. Die Strahlung konnte nicht wirklich zufällig sein, warum also legte die ansonsten vertrauenswürdige semiklassische Physik nahe, dass dies der Fall sei?

Zweitens verschob es die Grenze ihres Verständnisses von außerhalb des Schwarzen Lochs ins Innere. Wie würde ein Astronaut direkt im Ereignishorizont eines alten Schwarzen Lochs die Verdunstung erleben?

Schließlich deutete es darauf hin, dass Hawkings semiklassischer Rahmen fast korrekt war und dass der erste Schritt ins Innere keine vollständige Theorie der Quantengravitation erfordern sollte. Es war ihnen gelungen, das Äußere anhand bekannter Raum-Zeit-Zutaten zu analysieren. Aber mit nur einem leicht optimierten Rezept (der Entropieformel von 2014) fanden sie heraus, dass Informationen tatsächlich aus dem Inneren entweichen. Die Berechnungen gaben ihnen die Gewissheit, dass die semiklassische Sicht auf das Innere eines Schwarzen Lochs nicht aufgegeben werden muss. Firewalls schienen zunehmend einen Schritt zu weit zu gehen.

„Wenn wir die Innenbeschreibung wegwerfen, schütten wir das Baby mit dem Bade weg“, sagte Engelhardt. „Es gibt eine Möglichkeit, die semiklassische Schwerkraft zu nutzen, um eine korrekte Berechnung durchzuführen.“

Engelhardt, ein Experte für Gravitationsentropie, hatte einige der Stücke, und Harlow schien noch ein paar mehr zu haben. Engelhardts Büro am MIT teilt sich eine Wand mit dem von Harlow, daher war es für sie nur natürlich, ihre Kräfte zu bündeln. Etwa zur gleichen Zeit wechselte Akers als Postdoktorand ans MIT, und die drei begannen, sich mit dem Problem auseinanderzusetzen.

Als die Pandemie Anfang 2020 die Welt ins Innere zwang, verlegte das Akademikertrio seine Gedankenexperimente zum Schwarzen Loch von den Tafeln des MIT in die digitale Umgebung von Zoom.

Ihr Ziel war es, alle Fäden zusammenzuführen und so etwas wie einen Umwandlungsprozess zu entwickeln, um die semiklassische Innenperspektive in die quantenmechanische Außenperspektive umzuwandeln. Eine solche Theorie wäre für einen Astronauten im Inneren des Schwarzen Lochs von Nutzen. Sie konnte einen Schnappschuss ihrer Umgebung machen, den Vorgang durchlaufen lassen und ein Bild zurückerhalten, das ihr verriet, was ein Kollege draußen sah. Auch wenn die beiden Fotos scheinbar unterschiedliche Ereignisse im Rashomon-Stil festhalten, sollte die Konvertierung offenbaren, dass die Szenen insgeheim kompatibel sind. Es wäre eine anspruchsvollere Wiederbelebung von Susskinds Vision der Komplementarität.

Netta Engelhardt, Physikerin am MIT, hat eine Möglichkeit vorgeschlagen, Informationen in Systemen mit Schwerkraft zu verfolgen.

Tira Khan für Quanta Magazine

Akers hatte sich bereits davon überzeugt, dass das Konvertierungsprogramm in der Sprache der Quantenfehlerkorrektur geschrieben werden sollte, wie Harlow es bereits für den leeren Raum ausgearbeitet hatte. Das semiklassische Innere wäre die Botschaft und das Quantenäußere wäre die Übertragung. Und da das Innere innerhalb eines immer kleiner werdenden Horizonts zu wachsen schien, mussten sie einfach einen Fehlerkorrekturcode erfinden, der ein SOS in ein einzelnes S stopfen konnte.

Akers stieß bei seinen Kollegen auf Skepsis. Die Art und Weise, wie die Kodierung Informationen innerhalb des Schwarzen Lochs löschen müsste, verstieß gegen das quantenmechanische Verbot des Informationsverlusts. Wenn die innere Astronautin ihr Missionsprotokoll verbrennen würde, wäre sie möglicherweise nicht in der Lage, aus der Asche eine Nachbildung zu rekonstruieren.

„Wenn Sie die Quantenmechanik modifizieren, werden die Leute Sie für verrückt halten, und normalerweise haben sie Recht“, sagte Harlow. „Ich habe gezögert.“

Später in diesem Jahr schloss sich eine MIT-Absolventin (jetzt in Stanford) namens Shreya Vardhan der Crew an. Sie führte einige konkrete Entropieberechnungen durch, die schließlich alle davon überzeugten, dass eine leichte Störung der Quantenmechanik im Inneren die einzige Möglichkeit war, das Ganze draußen vollständig zu retten.

„Vor allem Shreya und Chris haben das auf unterschiedliche Weise vorangetrieben“, sagte Harlow. „Shreya hat die letzte Barriere für mich niedergerissen und mir wurde klar, dass das wirklich Sinn macht.“

Akers hatte mit Penington zusammengearbeitet, also engagierte er sich auch. Der Aufwand erforderte ein paar Jahre dauernder Arbeit. Und gerade als sie sich hinsetzten, um ihre Ergebnisse niederzuschreiben, erkrankten drei Fünftel des Teams gleichzeitig an Covid-19. Doch letzten Juli veröffentlichten sie endlich einen Vorabdruck, in dem sie ihre Theorie detailliert darlegten, wie das Innere des Schwarzen Lochs in seinem Äußeren mit dem seltsamsten Fehlerkorrekturcode der Welt kodiert werden könnte.

So funktioniert das. Eine aufopferungsvolle Astronautin im Inneren des Schwarzen Lochs zeichnet die Konfiguration aller Photonen, Elektronen und anderen Teilchen um sie herum und das Schwarze Loch auf – eine Datei mit Quantendaten, die aus einer Reihe von Qubits besteht und ihre halbklassische Erfahrung festhält. Ihr Ziel ist es, die Quantenperspektive ihres Partners draußen in diesem Moment zu verstehen. Die Gruppe entwickelte einen zweistufigen Algorithmus, den man sich vorstellen könnte, auf einem Quantencomputer auszuführen, um diesen inneren Schnappschuss umzuwandeln.

Zunächst vermischt das Programm die semiklassischen Qubits mithilfe einer der zufälligsten Transformationen in der Mathematik fast bis zur Unkenntlichkeit.

Dann kommt die geheime Soße. Der zweite Schritt beinhaltet die Nachauswahl, eine seltsame Operation, die häufiger von Informationstheoretikern als von Physikern verwendet wird. Durch die Nachauswahl kann ein Experimentator einen zufälligen Prozess manipulieren, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Angenommen, Sie möchten eine Münze werfen und 10 Köpfe hintereinander erhalten. Sie können es schaffen, vorausgesetzt, Sie haben die Geduld, jedes Mal von vorne zu beginnen, wenn es „Zahl“ gibt. In ähnlicher Weise beginnt das Codierungsprogramm mit der Messung der semiklassischen Qubits, startet jedoch jedes Mal neu, wenn es eine 1 erhält. Wenn es schließlich die meisten verschlüsselten Qubits gemessen und erfolgreich eine Folge von Nullen erhalten hat, wirft es diese Qubits weg. Die wenigen verbleibenden, nicht gemessenen Qubits stellen die Pixel des Quantenbildes des Schwarzen Lochs von außen betrachtet dar. Somit komprimiert der Code eine große semiklassische RAW-Datei in ein kompaktes Quanten-JPEG.

Es sei „eine verlustbehaftete Methode, viele semiklassische Informationen in einen endlichen Quantenraum zu komprimieren“, sagte Hartman von Cornell.

Aber es gibt einen großen Haken. Wie könnte ein solches Programm so viele semiklassische Informationen löschen, ohne wesentliche Details zu löschen? Das Verfahren impliziert, dass die semiklassische Physik voller Flusen ist – Konfigurationen von Teilchen, die der Raumastronaut beobachten könnte, die aber nicht wirklich real sind. Aber die semiklassische Physik wurde in Teilchenbeschleunigern auf der Erde rigoros getestet, und Experimentatoren haben keine Anzeichen solcher Fata Morgana gesehen.

„Wie viele Zustände sind zuverlässig kodiert? Und wie gut kann die semiklassische Theorie funktionieren?“ sagte Hartman. „Angesichts der Tatsache, dass es verlustbehaftet sein muss, ist es nicht offensichtlich, dass es überhaupt etwas bewirken kann.“

Um zu erklären, wie eine fehlerhafte Theorie so gut funktionieren konnte, griff das Team auf die seltsame Beobachtung zurück, die Hayden und Harlow 2013 gemacht hatten, dass die Entschlüsselung der Strahlung für das AMPS-Experiment so viele Schritte erfordern würde, dass es praktisch unmöglich ist. Vielleicht könnte Komplexität Risse in der semiklassischen Physik überdecken. Die Codierung löschte Konfigurationen nicht ohne weiteres. Es löschte nur bestimmte Anordnungen von Teilchen aus, die in dem Sinne komplex waren, dass ihre Entstehung so lange dauern würde, dass der innere Astronaut nie damit rechnen konnte, sie zu beobachten.

Den Großteil der Arbeit machte die Argumentation aus, dass der Code einfache Zustände im Wesentlichen unberührt ließ. Die Gruppe argumentierte, dass für jede Version ihres zweistufigen Prozesses die Erstellung einer komplexen semiklassischen Konfiguration ohne Gegenstück aus der Außenperspektive im Wesentlichen eine Ewigkeit dauern würde – etwa das 10.000-fache des aktuellen Alters des Universums allein für ein subatomares 50-Qubit-Modell Fleck eines Schwarzen Lochs. Und für ein echtes Schwarzes Loch wie M87 mit seinen etwa 1070 Qubits würde ein Experiment, das die semiklassische Physik durchbricht, exponentiell länger dauern.

Das Team schlägt vor, dass Schwarze Löcher einen neuen Zusammenbruch im etablierten Rahmen der Physik darstellen. So wie Einstein einst voraussagte, dass Newtons Vorstellung starrer Abstände bei ausreichend hohen Geschwindigkeiten scheitern würde, sagen sie voraus, dass die semiklassische Physik bei extrem komplexen Experimenten mit unvorstellbarer Schrittzahl und unvorstellbar langen Zeiträumen versagt.

Nach Ansicht der Gruppe wären Firewalls Ausdruck einer solch unvorstellbaren Komplexität. Ein echtes Schwarzes Loch wie das in M87 gibt es erst seit Milliarden von Jahren – nicht annähernd lange genug, als dass das halbklassische Innere in einer Firewall zusammenbrechen könnte. Aber wenn man in der Lage wäre, unwahrscheinlich komplizierte Experimente durchzuführen, oder wenn ein Schwarzes Loch extrem lange leben würde, wären alle semiklassischen Wetten hinfällig.

„Es gibt eine Komplexitätsgrenze“, sagte Harlow. „Wenn man anfängt, exponentielle Dinge zu tun, dann wird [die Physik] wirklich anders.“

Nachdem sich die Physiker davon überzeugt hatten, dass der Verlust des Codes nicht zu spürbaren Rissen in der semiklassischen Physik im Inneren des Schwarzen Lochs führen würde, untersuchte das Team die Konsequenzen. Sie fanden heraus, dass der offensichtliche Fehler das ultimative Feature war.

„Es scheint schlimm zu sein. Es sieht so aus, als ob Sie Informationen verlieren würden, weil Sie viele Staaten löschen“, sagte Akers. Aber „es stellt sich heraus, dass es alles ist, was Sie jemals wollten.“

Insbesondere geht es über die Arbeit von 2019 hinaus und befasst sich mit der Frage, wie Informationen aus dem Schwarzen Loch gelangen. Oder besser gesagt, es deutet darauf hin, dass sich die Qubits gar nicht erst im Inneren befinden.

Das Geheimnis liegt im ausgefallenen zweiten Schritt der Konvertierung, der Nachauswahl. Die Nachselektion beinhaltet dieselben mathematischen Bestandteile, nämlich die Messung verschränkter Partner, wie ein lehrbuchmäßiger Quantenprozess, der Informationen von einem Ort zum anderen teleportiert. Auch wenn es sich bei dem Konvertierungsprozess nicht um ein physikalisches Ereignis handelt, das sich im Laufe der Zeit abspielt, ist er doch dafür verantwortlich, wie Informationen scheinbar von innen nach außen wechseln.

Wenn die Innenastronautin einen Schnappschuss umwandelt, der spät im Leben des Schwarzen Lochs aufgenommen wurde, erfährt sie im Wesentlichen, dass die Informationen, die in Partikeln um sie herum – oder sogar in ihrem eigenen Körper – zu liegen scheinen, aus der Außenperspektive stammen, die tatsächlich in der Hawking schwebt Strahlung draußen. Mit der Zeit wird der Bekehrungsprozess immer mehr von ihrer Welt als unwirklich enthüllen. In dem Moment, bevor das Schwarze Loch verschwindet, werden die Informationen der Astronautin trotz des gegenteiligen Eindrucks fast vollständig draußen existieren, vermischt mit der Strahlung. Durch die Verfolgung dieses Prozesses Schnappschuss für Schnappschuss konnte die Gruppe Engelhardts Entropieformel ableiten, die 2019 Informationen in der Strahlung gefunden hatte. Auch sie ist ein Nebenprodukt der Verlustbehaftetheit der Umwandlung.

Kurz gesagt, die Konvertierung erklärt, wie ein Astronaut unwissentlich ein Inneres erleben kann, das sich mit zunehmender Reife immer mehr von der Realität draußen löst. Hawkings Fehler, so argumentieren sie, bestehe darin, sich völlig in die Rolle des inneren Astronauten zu versetzen und anzunehmen, dass die semiklassische Physik sowohl innerhalb als auch außerhalb des Schwarzen Lochs perfekt funktionierte.

Er erkannte nicht, wie Harlow und Co. heute glauben, dass die semiklassische Physik Phänomene und Experimente, die eine exponentielle Komplexität erfordern, nicht genau erfassen kann. Das Entschlüsseln der verschlüsselten Informationen in der Strahlung würde beispielsweise exponentiell lange dauern, weshalb seine semiklassische Analyse fälschlicherweise vorhersagt, dass die Strahlung strukturlos sei. Die Funktionen sind vorhanden; Es würde nur ein Vielfaches des Zeitalters des Universums dauern, sie aufzudecken.

Darüber hinaus gibt es einen Grund, warum die Informationskapazität im Inneren zu wachsen scheint, während die Größe der Oberfläche des Schwarzen Lochs kleiner wird: Die semiklassische Berechnung berücksichtigt fälschlicherweise eine große Anzahl komplexer Zustände, die außen keine Quantengegenstücke haben. Wenn Physiker berücksichtigen, wie Komplexität die semiklassische Physik beeinträchtigen kann, verschwindet der Konflikt zwischen dem Raum-Zeit-Bild im Inneren und dem Quantenbild im Äußeren.

„Wir sehen jetzt einen konsequenten Weg durch das Paradoxon“, sagte Harlow.

Bei aller Zuversicht von Harlow haben jedoch andere in der Black-Hole-Gemeinschaft viele Fragen.

Die größte Einschränkung besteht darin, dass die Theorien, die der Code verbindet, äußerst einfach sind. Die quantenmechanische Beschreibung umfasst eine Sammlung von Qubits, die Informationen ausstrahlen. Die semiklassische Beschreibung sieht ein Inneres vor, das durch einen Ereignishorizont vom Äußeren getrennt ist. Und das ist es. Es gibt keine Schwerkraft und kein Gefühl für Raum-Zeit. Der Code weist die Kernmerkmale des Paradoxons auf, es fehlen jedoch viele Details, die notwendig wären, um zu argumentieren, dass echte Schwarze Löcher auf diese Weise funktionieren.

„Die Hoffnung besteht wie immer darin, dass Sie ein Spielzeugmodell haben, bei dem Sie alle wichtigen physikalischen Elemente extrahiert und alle unwichtigen physikalischen Elemente verworfen haben“, sagte Maloney. „Es gibt ziemlich gute Gründe zu der Annahme, dass das hier stimmt, aber dennoch ist es wichtig, vorsichtig zu sein.“

Es gibt viele alternative Lösungen, und die tatsächliche Schwerkraft könnte das Paradoxon immer noch auf eine dieser Arten lösen. Mathur aus der Ohio State leitet beispielsweise ein Forschungsprogramm, das eine solche Option untersucht. Bei der Analyse dessen, was mit einem kollabierenden Stern in der Stringtheorie passieren würde, fanden er und seine Mitarbeiter heraus, dass Strings den Kollaps stoppen könnten. Sie bilden eine sich windende Masse, einen „Fuzzball“, dessen kompliziertes Zappeln die Bildung eines Ereignishorizonts – und eines Paradoxons – verhindern würde. Mathur erhebt verschiedene Einwände gegen die neue Lösung und hält den verlustbehafteten Code generell für einen zu komplizierten Vorschlag. „Das Informationsparadoxon ist längst gelöst“, sagte er. (Von Fuzzballs.)

Unterdessen vermutet Marolf, der 2019 mit Engelhardt zusammenarbeitete, um die Informationen in der Strahlung zu erkennen, dass ihre Lösung möglicherweise zu konservativ ist. „Meine Sorge ist, dass es fast zu einfach ist“, sagte er.

Er erstickt an der Verlusthaftigkeit, was bedeutet, dass der Code in seiner aktuellen Form nur dem inneren Astronauten einzigartige Antworten gibt. Wenn ein Astronaut von außen ein Foto macht und wissen möchte, was es über das Innere aussagt, muss er die semiklassischen Pixel erraten, die der Code löscht. Auch wenn diese Zustände in gewisser Weise illusorisch sind, sind sie für das Verständnis der menschlichen Erfahrung im Inneren von wesentlicher Bedeutung. Für einige Vermutungen könnte er ein ruhiges Interieur finden. In anderen Fällen eine wütende Firewall. Egal wie ausgefeilt die Quantentheorie auch sein mag, sie wird nie mit Sicherheit sagen können, was er finden würde, wenn er hineinspringen würde.

„Es stört mich ein bisschen“, sagte Marolf. „Ich hätte gedacht, dass eine grundlegende Theorie alles vorhersagen sollte – auch das, was wir als Realität erleben.“

Einige Skeptiker des ursprünglichen Vorschlags sind inzwischen auf die Idee gekommen, darunter Isaac Kim, ein Informatiker an der University of California, Davis, und John Preskill, ein Quantenphysiker am California Institute of Technology und einer der anwesenden Koryphäen der Firewall-Showdown 2013.

„Wir hörten durch die Gerüchteküche, dass diese Arbeit kommen würde“, sagte Kim. „Es klang, als müsste etwas schief gehen.“

Kim war durch die Verwendung der Nachauswahl verunsichert. Frühere Anwendungen der Nachauswahl umfassten Blaupausen für Zeitmaschinen und unverhältnismäßig leistungsstarke Quantencomputer, so dass ihr Erscheinen als Warnsignal auffiel. Er vermutete, dass Details, die im ursprünglichen Code fehlten, etwa wie es für einen Astronauten funktioniert, der die Strahlung draußen misst und dann hineinfällt, zusammen mit der Nachauswahl sogar die Außenperspektive verfälschen und dort Informationen löschen könnten.

Dann, im Dezember, aktualisierten Kim und Preskill den Code und stellten fest, dass das Schwarze Loch weiterhin sicher Informationen im externen Bild ausstrahlte. Sie fanden auch heraus, dass die Nachauswahl nicht als Schlupfloch für das Schwarze Loch diente, um absurd leistungsstarke Berechnungen durchzuführen – oder Astronauten zurück in die Zukunft zu schicken.

„Bemerkenswerterweise passiert das bei diesem Modell nicht, auch wenn man eine Nachauswahl zulässt“, sagte er. „Das hat mich davon überzeugt, dass hier etwas Richtiges vor sich geht.“

DeWolfe und sein Mitarbeiter Kenneth Higginbotham haben den verlustbehafteten Code im April weiter verallgemeinert. Sie kamen auch zu dem Schluss, dass es herabstürzenden Astronauten standhalten könnte.

Andere Forscher haben die letzten Monate damit verbracht, zu prüfen, ob ihre Lieblingstheorien der Schwerkraft Verluste verbergen. Im Oktober portierte Arjun Kar von der University of British Columbia den verlustbehafteten Code von Harlow und Kollegen in eine bekannte Theorie der 2D-Schwerkraft und stellte fest, dass diese zutrifft. „Sie scheinen wirklich etwas Interessantes zur Quantenfehlerkorrektur herausgefunden zu haben“, sagte er.

Die Fortsetzung dieses Weges – die Suche nach Verlusten in weiteren Gravitationstheorien – ist für Physiker die Hauptmethode, mit der sie das Vertrauen aufbauen oder zerstören wollen, dass die reale Gravitation tatsächlich so funktioniert. Nur wenige träumen davon, den Code mit einem Experiment zu testen.

„Es ist nicht klar, wie wir diesen Bericht jemals testen würden“, sagte Aaronson, „außer indem wir versuchten, darauf eine Quantentheorie der Schwerkraft aufzubauen und zu sehen, ob diese Theorie erfolgreich ist.“

Harlow ist jedoch ein Träumer. „Ich glaube nicht, dass es unmöglich ist. Es ist einfach schwer“, sagte er und erläuterte das folgende Gedankenexperiment.

Man steckt ein winziges Schwarzes Loch in eine Kiste, fängt jedes aus ihm austretende Photon der Hawking-Strahlung ein und speichert all diese Informationen in einem Quantencomputer. Da diese Informationen aus der Sicht eines inneren Teilchens scheinbar im Inneren des Schwarzen Lochs vorhanden wären, könnte sich die Manipulation der Strahlung sofort auf das Teilchen auswirken – eine echte Aktion aus einer Entfernung, die gruselig genug ist, um jeden Physiker zu verfolgen. „Ich sollte nichts an der Strahlung ändern, die irgendetwas im Innenraum verändert“, sagte Harlow. „Das ist ein Zusammenbruch, der dadurch zustande kam, dass Sie die Grenze der Komplexität überschritten haben.“

Aber selbst um über ein solches Experiment zu phantasieren, muss Harlow in ein ewiges Universum wechseln, um sich genügend Zeit zu lassen, da die Aktivität in unserem expandierenden Kosmos Billionen Mal nachlassen würde, bevor man hoffen könnte, die Strahlung auch nur des kleinsten Elements zu manipulieren Schwarze Löcher. (Darüber hinaus haben Susskind und andere, die sich mit einem verwandten Aspekt des Schwarzen-Loch-Rätsels befassen, kürzlich überlappende Vorstellungen in Bezug auf Komplexität und unvorstellbar lange Zeiträume gefunden.)

Dennoch lässt sich Harlow von kleinen Details wie dem Hitzetod des Universums nicht abschrecken. Wenn unmögliche Gedankenexperimente mit Zügen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fahren, für Einstein gut genug waren, glaubt er, sind sie auch für ihn gut genug.

„Wir haben immer noch keine Züge, aber [Relativität] hat Konsequenzen für verschiedene andere Dinge, die wir getestet haben“, sagte er.

Harlow ist der jüngste in einer langen Reihe von Physikern von Schwarzen Löchern, deren Beziehung zu physischen Beweisen für gelegentliche Beobachter überraschend sein könnte. Schließlich hat noch nie jemand ein Photon der Hawking-Strahlung gesehen und wird es auch nie tun. Es ist viel zu schwach, selbst wenn man das James-Webb-Weltraumteleskop in der Umlaufbahn um ein echtes Schwarzes Loch parken würde.

Aber das hat mehrere Generationen von Physikern, von Stephen Hawking und Leonard Susskind bis hin zu Netta Engelhardt, Chris Akers und Dutzenden anderen, nicht davon abgehalten, lebhaft darüber zu debattieren, wie mit dem Bündel von Konflikten umgegangen werden soll, die zusammen mit dem theoretischen Bad aus dem Schwarzen Loch purzeln von Photonen.

Auch wenn sie ihre Argumente aufbauen und untermauern, erkennen sie an, dass der einzige schlüssige Weg, um herauszufinden, ob Schwarze Löcher das ultimative kosmische Gefängnis oder ein feuriges Todesurteil darstellen, darin besteht, sich auf das ursprüngliche undenkbare Gedankenexperiment einzulassen.

„Wenn es zwei Menschen gibt, denen nichts wichtiger ist, als ihre Meinungsverschiedenheit beizulegen, können sie nur einspringen“, sagte Penington. „Entweder verdampfen beide sofort und lösen das Problem sowieso nie auf, oder sie schaffen es hinein und einer von ihnen sagt: ‚Oh, fairerweise, ich habe mich geirrt.‘“

Anmerkung des Herausgebers: Eine Reihe der in diesem Artikel vorgestellten Wissenschaftler, darunter Daniel Harlow und Chris Akers, wurden von der Simons Foundation gefördert, die auch dieses redaktionell unabhängige Magazin finanziert. Finanzierungsentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf unsere Berichterstattung. Weitere Details finden Sie hier.

Angestellter Autor

2. August 2023

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