Einem Schwarzen Loch entgeht nichts … oder doch? In den 1970er Jahren beschrieb der Physiker Stephen Hawking einen subtilen Prozess, durch den Schwarze Löcher „verdampfen“ können, wobei einige Teilchen der gravitativen Vergessenheit entgehen. Dieses Phänomen, das jetzt Hawking-Strahlung genannt wird, scheint im Widerspruch zur Allgemeinen Relativitätstheorie zu stehen und wirft eine noch seltsamere Frage auf: Wenn Teilchen entkommen können, bewahren sie dann irgendwelche Informationen über die Materie, die ausgelöscht wurde?

Leonard Süßkind, ein Physiker an der Stanford University, war mit Hawking über die Antwort uneins. In dieser Folge Co-Moderator Janna Levin spricht mit Susskind über den darauf folgenden „Krieg um Schwarze Löcher“ und die kraftvollen wissenschaftlichen Lehren, die aus einem der berühmtesten Paradoxien der Physik gezogen werden können.

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Abschrift

[Themenspiele]

JANNA LEVIN: In der Vergangenheit wurden Schwarze Löcher als unentrinnbare Leere dargestellt und haben die Vorstellungswelt der Menschen in Angst und Schrecken versetzt. Alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, ist für immer verloren. So lautet die Geschichte zumindest nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Dieser charakteristische Charakter von Schwarzen Löchern wurde in den 1970er Jahren mit einer überraschenden Herausforderung durch einen jungen und brillanten, aber kränklichen britischen Physiker unter die Lupe genommen. Stephen Hawking.

Hawking erkannte, dass Schwarze Löcher durch einen bemerkenswerten und subtilen Quantenprozess verdampfen und schließlich in einem Strahlungsstoß vollständig explodieren könnten. Auch bei dieser Explosion kann nichts entkommen. Das Schwarze Loch schien alles, was es mit sich aufgenommen hatte, in Vergessenheit zu bringen, einschließlich aller Quanteninformationen. Aber wohin ist das alles gegangen?

Ich bin Janna Levin und das ist „The Joy of Why“, ein Podcast von Quanta Magazine wo mein Co-Moderator, Steve Strogatz, und ich gehe abwechselnd einigen der größten unbeantworteten Fragen in Mathematik und Naturwissenschaften von heute nach.

[Thema endet]

LEVIN: Anfangs erkannten nur wenige die Bedeutung von Hawkings Ergebnissen, aber ein Wissenschaftler erkannte sofort die Krise, die als Informationsverlustparadoxon bekannt werden sollte. Er ist heute hier bei uns, der berühmte Physiker Leonard Susskind – Lenny für jeden, der ihn kennt. In der heutigen Folge führt uns Lenny durch den Krieg um die Schwarzen Löcher, während wir fragen: Gibt es eine Quantenausstiegsluke aus Schwarzen Löchern? Und werden wir es jemals sicher wissen?

Lenny ist Professor an der Stanford University und Gründungsdirektor des Stanford Institute for Theoretical Physics. Er gilt weithin als Vater der Stringtheorie und hat eine Reihe phänomenaler Bücher verfasst, darunter: Der Schwarze-Loch-Krieg: Mein Kampf mit Stephen Hawking, um die Welt für die Quantenmechanik sicher zu machen, und er ist bekannt für seine Forschungen zur Quantenfeldtheorie, zur quantenstatistischen Mechanik und zur Quantenkosmologie.

Lenny, vielen Dank, dass du bei „The Joy of Why“ mitgemacht hast.

LENNY SÜSSKIND: Hallo, Janna. Lange nicht gesehen.

LEVIN: Lange nicht gesehen, es ist so schön, Sie hier zu haben.

SÜSSKIND: Es ist schön dich wieder zu sehen.

LEVIN: Fangen wir hier also am Anfang an.

SÜSSKIND: Der Anfang, der Anfang. Okay, der Anfang.

LEVIN: Nun, der Anfang wird für uns das 20. Jahrhundert sein, als die Schwarzen Löcher ursprünglich entdeckt wurden. Und ich würde es lieben, wenn Sie uns durch das allgemeine relativistische Verständnis von Schwarzen Löchern führen könnten, ohne die Komplikationen der Quantenmechanik.

SÜSSKIND: Also gut, ein Schwarzes Loch ist gravitativ so attraktiv, dass es einfach alles anzieht. Die ursprüngliche Idee eines Schwarzen Lochs geht auf [Pierre-Simon, Marquis de] zurück. Laplace?

LEVIN: Oh, [John] Michell, Meiner Ansicht nach.

SÜSSKIND: Michell und Laplace.

LEVIN: Okay, wir überspringen das 20. Jahrhundert.

SÜSSKIND: 18. Jahrhundert, XNUMX. Jahrhundert.

LEVIN: Ja genau.

SÜSSKIND: Wie auch immer, diese Alten, ein Franzose und ich schätze ein Engländer, hatten die Idee, dass ein Stern, wenn er schwer genug wäre, so attraktiv wäre – nicht im Sinne von „Ich bin attraktiv“ oder „Du bist attraktiv“, sondern im Sinne von Gravitationsanziehung – dass es alles anziehen würde und nicht einmal Licht konnte herauskommen. Sie haben tatsächlich berechnet, wie schwer es für eine bestimmte Größe sein müsste. Sie errechneten den sogenannten Schwarzschild-Radius. Und sie nannten es einen dunklen Stern.

LEVIN: Damit wird die Idee eines Ereignishorizonts eingeführt.

SÜSSKIND: Sie hatten nicht ganz diese Idee. Die Idee stammt von Einstein und der allgemeinen Relativitätstheorie: Wenn man ein so schweres Objekt hätte, gäbe es eine Oberfläche um es herum, auf der alles, was sich darin befindet, in die Singularität fällt. Diese Oberfläche der letzten Flucht, in der man dem Untergang geweiht ist, wenn man sich darin befindet; Wenn Sie außerhalb davon sind, haben Sie eine Chance. Und das nennt man den Horizont des Schwarzen Lochs.

LEVIN: Gibt es etwas am Horizont?

SÜSSKIND: Das ist die ganze Frage. Jemand, der das Schwarze Loch von außen beobachtet, Messungen durchführt, Teleskopbeobachtungen durchführt und auch Sonden zum Schwarzen Loch hinablassen darf – sagen wir an einer Angelschnur; Ich war früher Fischer. Sie senken Ihren Wurm auf die Oberfläche des Schwarzen Lochs. Was passieren würde, wäre, dass man die Oberfläche des Schwarzen Lochs, den Ereignishorizont, sehen würde sehr, sehr heiß sein. Der arme Wurm würde sehr schnell geröstet sein. Jemand von außen würde also denken, dass da etwas am Horizont ist und was auch immer es ist, extrem heiß ist – so heiß, dass man, sagen wir mal so, dort nicht sein möchte.

LEVIN: Das ist Hawkings Ergebnis, dass es heiß werden würde.

SÜSSKIND: Ja, das stimmt, Hawking und gewissermaßen ein Vorgänger von Hawking, [Jacob] Bekenstein. Hawkings Ergebnisse waren klarer, sie waren präziser. Und Hawking hätte mir vollkommen zugestimmt, dass dieser Wurm am Horizont verbrennen wird, lange bevor man die Singularität erreicht. Wenn Sie andererseits einfach die Schnur Ihrer Angelschnur durchschneiden und den Wurm durch den Horizont fallen lassen, heißt es, dass der Horizont für den Wurm kein Ereignis wäre. Der Wurm würde einfach hindurchfliegen und am Horizont nichts Besonderes beobachten. Ja, Hawking würde dem zustimmen.

Das Problem dabei ist, dass es gegen ein Prinzip der Physik verstößt. Der Grundsatz der Physik lautet: „Nichts geht jemals völlig verloren.“ Du sagst, na ja, das ist verrückt. Wenn ich ein Stück Holzkohle nehme und die Holzkohle verbrenne, nachdem ich vielleicht eine Nachricht auf die Holzkohle geschrieben habe, haben Sie die Nachricht verloren. Das stimmt aber nicht. Was auch immer Sie auf das Stück Holzkohle geschrieben haben, ist im Rauch und den Verbrennungsprodukten kodiert.

Andererseits sagte Hawking: „Moment mal, diese Informationen fallen durch den Horizont des Schwarzen Lochs.“ Und nach allem, was wir aus der Allgemeinen Relativitätstheorie über die Struktur von Schwarzen Löchern wissen, kommt es einfach nicht raus.“ Und so war das Ergebnis: laut Hawking, diese Informationen gehen am Horizont des Schwarzen Lochs dauerhaft verloren. Sachen kommen aus dem Schwarzen Loch. Hawking-Strahlung nennt man das. Aber diese Hawking-Strahlung kann keine Informationen übertragen, da diese Informationen von hinter dem Horizont stammen und nichts nach außen dringen kann.

LEVIN: Also trat Hawking zu diesem Zeitpunkt klar für die reine allgemeine Relativitätstheorie und das Fehlen der Quantenmechanik ein und behauptete, dass absolut nichts herauskommen könne? Die Informationen, die eingefallen sind, selbst wenn das Schwarze Loch verdunstet, ist, als würde man einen Vorhang aufziehen, aber das Zeug ist weg, und man kann nichts dagegen tun. Und er fiel auf die Seite „Informationen gingen verloren“. Aber Sie sagten: „Warte, das geht nicht.“ Warum war es Ihnen so wichtig zu sagen, dass Informationen nicht verloren gehen können? Was ist daran so schlimm?

SÜSSKIND: Nun, die Erhaltung von Informationen liegt einigen der weitreichendsten Prinzipien der Physik zugrunde, insbesondere den Prinzipien der Thermodynamik. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der erste Hauptsatz der Thermodynamik, die Energieerhaltung, die Prinzipien der statistischen Mechanik, die Eigenschaften der Strahlung – all das hängt zu 100 % von einer Reihe von Prinzipien ab, zu denen das nullte Prinzip der Physik, diese Informationen, gehört bleibt erhalten. In der Quantenmechanik nennt man das Unitarität. Und es heißt: Wenn es zu Beginn kleine Unterschiede gibt, werden diese kleinen Unterschiede auch danach bestehen bleiben. Hawking sagte, dass das, was aus dem Schwarzen Loch kommt, völlig unabhängig davon sein wird, was hineinfällt.

Wenn Sie dieser Argumentation folgen und fragen, was sie impliziert, bedeutet dies Chaos. Nichts ergibt mehr einen Sinn. Ich hatte einfach das Gefühl, dass das nicht richtig sein könnte.

LEVIN: Hier befinden Sie sich also in diesem Konflikt. Aber Sie wissen tatsächlich nicht, wie Sie das Paradoxon lösen können. Und so war eine der ersten Ideen, die Sie sehr früh hatten, dieses Konzept der Komplementarität, ein Konzept der Physik, aber Sie selbst erweiterte es auf Schwarze Löcher. Können Sie uns etwas darüber erzählen?

SÜSSKIND: Es stand nichts mehr oder weniger drin, als dass die Informationen extrem subtil in der Hawking-Strahlung kodiert herauskamen, viel zu schwer, um sie jemals zu rekonstruieren. In der klassischen Physik war das unmöglich.

Es stellte sich die Frage, was man Komplexität nennt. Komplexität ist ein echtes Konzept in der Physik und in der Mathematik und lediglich ein Maß dafür, wie schwierig es ist, eine Aufgabe zu lösen. Wenn Sie sich fragen, wie schwierig es ist, die Rekonstruktion dessen, was aus dem Schwarzen Loch kommt, zu bewältigen, werden Sie feststellen, dass es exponentiell komplex ist. Die Zahl der kleinen Operationen, die man durchführen musste, um zu rekonstruieren, was in das Schwarze Loch fiel, war so außerordentlich hoch, dass die Informationen praktisch verloren gingen, Stephen hatte Recht. Aber in der Quantenmechanik wird es einfach sehr, sehr komplex, dies zu tun. Das Prinzip der Komplementarität bestand also eigentlich nur darin, Stephen zu sagen: „Du liegst falsch.“

LEVIN: Wie kontrovers, wie hitzig wurde diese Debatte?

SÜSSKIND: Im persönlichen Sinne überhaupt nicht. Stephen und ich waren gute Freunde. Wir blieben während des gesamten Krieges, oder was ich den „Schwarzen-Loch-Krieg“ nenne, gute Freunde. Es gab Zeiten, in denen meine Frau und ich und die Person, mit der er gerade zusammen war, zusammen zu Abend aßen. Er würde mich herausfordern. Es gab nie eine Zeit, in der es überhaupt persönlich war. Er war sich zu 1,000 % sicher, was er sagte. Natürlich war ich mir auch zu 1,000 % sicher, was ich sagte.

LEVIN: Wenn es Ihnen nichts ausmacht, wenn ich Sie zitiere, glaube ich, dass es drin war Der Schwarze-Loch-Krieg, Sie sagten, Stephen sei auch ein sehr arroganter Mann. Und dann sagten Sie: „Ich auch.“

SÜSSKIND: Jeder Physiker, der ehrgeizig ist und in dem Fach wirklich weiterkommen will, muss auf jeden Fall ein gewisses Maß an Arroganz mitbringen. Man muss nicht nur glauben, dass das menschliche Gehirn klug genug ist, diese unglaublich raffinierten Ideen zu entschlüsseln. Sie müssen glauben, dass Ihr menschliches Gehirn intelligent genug ist, um die Quantenmechanik zu verstehen, intelligent genug, um herauszufinden, wie das Universum funktioniert. Andererseits muss man sich aber auch ganz klar darüber im Klaren sein, was man nicht weiß und wovon man sehr, sehr weit entfernt ist. Ich vermute also, dass es in diesem Sinne etwas Demut erfordert. Demut zu wissen, was man nicht weiß und was man vielleicht nie wissen wird. Ja, Stephen war arrogant. Ja, ich war arrogant.

LEVIN: Es gab also noch keinen Beweis oder eine Berechnung, und dennoch hatten Sie diese sehr originellen kreativen Ideen, die zu Berechnungen führten, wie zum Beispiel der Holographie.

SÜSSKIND: Ja. Übrigens gab es noch eine andere Person, die auch sehr, sehr involviert war. Das war Gerard 't Hooft, der Nobelpreisträger, einer der großen Physiker des 20. Jahrhunderts. Das holographische Prinzip, das haben 't Hooft und ich vorgeschlagen. Es stammt aus Bekensteins Berechnung der Entropie eines Schwarzen Lochs. Entropie ist eine verborgene Information, die in mikroskopischen Details kodiert ist, auf die Sie keinen Zugriff haben.

Bekensteins Entropie besagte, dass die Informationsmenge in einem Schwarzen Loch proportional zur Fläche des Horizonts ist. Das war radikal. Normalerweise ist die in einer Struktur kodierte Informationsmenge proportional zum Volumen der Struktur. Das brachte mich und 't Hooft auf die Idee, dass das, was in ein Schwarzes Loch fällt, nie wirklich hineinfällt, sondern auf der Oberfläche des Horizonts kodiert ist eine Art Hologramm. Ein Hologramm ist ein zweidimensionales Bild von etwas, das eigentlich dreidimensional ist. Die Idee war also, dass das, was in ein Schwarzes Loch fällt, nie wirklich hineinfällt und auf der Oberfläche in Form eines Quantenhologramms kodiert wird.

Die Idee des holographischen Prinzips war allgemeiner. Jeder Bereich des Weltraums, nicht nur der Horizont eines Schwarzen Lochs, ist kodiert. Dieser Raum, mein Raum, hat Wände, er ist begrenzt, und der Anspruch des holographischen Prinzips besteht darin, dass alles, was in ihm geschieht – wie ich zum Beispiel oder wie das Bild hinter mir –, all das in einer holographischen Beschreibung auf dem Raum kodiert ist Begrenzung des Raumes, an den Wänden des Raumes.

Das kam vielen Leuten verrückt vor. Ich war mir sicher, dass es richtig war, aber die meisten Leute aus der Community sagten: „Diese Jungs haben den Verstand verloren.“ Früher waren sie gute Physiker. Was ist das für eine holografische Idee?“

LEVIN: Stört es Sie, wenn einige Ihrer Freunde sagen, Sie seien verrückt? Machen Sie einfach weiter?

SÜSSKIND: Es stört mich persönlich nicht. Das nervt. Warum können sie nicht sehen, was ich sehe? Einerseits sagt es mir, dass es sich lohnt, weiterzumachen, wenn es richtig ist, denn wenn jeder denkt, dass es falsch ist und es sich als richtig herausstellt, ist das eine große Sache.

Diese Idee blieb also eine Zeit lang auf der Strecke. Bis zum jungen Physiker passierte nichts Juan Maldacena entdeckte eine äußerst präzise Version des holographischen Prinzips. Es hatte mit einem zu tun Art von Raum sogenannten Anti-de-Sitter-Raum. Es handelt sich grob gesagt um eine Lösung der Einsteinschen Gleichungen. Und was Maldacena herausgefunden hat, ist, dass es genau diesem holographischen Prinzip unterliegt, dass die Dinge im Raum, in dem, was wir als Masse bezeichnen, durch eine Quantenfeldtheorie an der Grenze des Systems genau beschrieben werden. Genau das war das holographische Prinzip. Es waren also eigentlich Maldacenas Konstruktion und Maldacenas sehr präzise Version des holographischen Prinzips, die zu seiner Akzeptanz führten.

LEVIN: Um es einfach auszudrücken: Es ist eine Art Universum in einer Kiste. Und man könnte von einem Universum in der Box sprechen, das Schwerkraft und Schwarze Löcher und diese Informationsverlustkrise hat, aber es ist genau das Äquivalent zu einem ganzen Universum, das nur an der Grenze beschrieben wird, das nicht nur weniger Dimensionen hat, sondern auch keine Schwerkraft hat, nein Schwarze Löcher und daher kein Informationsverlust.

SÜSSKIND: Theoretisch gibt es an der Oberfläche keine Schwerkraft.

LEVIN: An der Oberfläche ja. Also kein Informationsverlust.

SÜSSKIND: Ja. Wir sprechen über die Masse und die Grenze. Auf der Masse herrscht Schwerkraft, aber an der Grenze gibt es keine Schwerkraft.

LEVIN: Daraus lässt sich schließen, dass es keinen Informationsverlust geben kann, wenn an der Grenze keine Schwerkraft herrscht.

SÜSSKIND: Genau.

LEVIN: Das Problem verschwindet. Sie wissen jedoch immer noch nicht, wie Sie die herauskommenden Informationen genau berechnen sollen. Ist das wahr?

SÜSSKIND: Ja, das ist wahr. Aber das ist nicht besonders überraschend. Von außen betrachtet ist das Schwarze Loch sehr heiß. Es tut, was dieses Stück Holzkohle tun würde. Es ist sehr heiß. Es verdunstet. Und es besteht keine Chance, dass wir den Rauch oder die Verbrennungsprodukte rekonstruieren könnten, dass wir rekonstruieren könnten, was die kleine Schrift auf dem Stück Holzkohle war. Informationen werden thermisiert. Es wird durcheinander gebracht. So stark durcheinander gebracht, dass die Rekonstruktion unvorstellbar komplex, aber prinzipiell möglich ist.

LEVIN: Wir sind gleich wieder da.

[Pause für Anzeigeneinfügung]

LEVIN: Willkommen zurück bei „The Joy of Why“.

Wenn also jemand in das Schwarze Loch fällt und vollständig verdampft, könnte man ihn außerhalb des Schwarzen Lochs rekonstruieren.

SÜSSKIND: Von der Hawking-Strahlung.

LEVIN: Von der Hawking-Strahlung.

SÜSSKIND: Rechts. Aber man könnte fragen: Wie lange würde es dauern? Wie viele Quantenoperationen wären nötig? Und die Antwort liegt in der exponentiell großen Entropie des Schwarzen Lochs. Nun ist die Entropie eines gewöhnlichen Schwarzen Lochs an sich sehr groß, ich weiß nicht, 10⁷⁰. Wir sprechen also von Zeiten für die Rekonstruktion, die bei 10 zu 10 liegen⁷⁰ Jahre. Das würde die Quantenmechanik sagen. Die richtige Aussage, die Hawking hätte machen sollen, ist nicht, dass es unmöglich ist, sondern dass es ist außerordentlich komplex Sobald du durch den Horizont fällst.

LEVIN: Wenn ich als Astronaut einspringe und du weit weg bist, siehst du mich verschlüsselt, ich schaffe es nie in das Schwarze Loch. Alle meine Quanteninformationen sind auf diesem Hologramm verschmiert. Was ist meine Erfahrung?

SÜSSKIND: Ihre Erfahrung ist einfach, dass Sie einfach durchfallen.

LEVIN: Ich bin direkt durchgesegelt. Das sind also zwei widersprüchliche Realitäten.

SÜSSKIND: Sind sie widersprüchlich? Das war die Frage. Ich sagte nein, sie sind nicht wirklich widersprüchlich. Der Mensch im Inneren, der reinfällt, kann es einfach nicht nach außen kommunizieren.

LEVIN: Nun, Sie widerlegen sozusagen die Existenz Gottes.

SÜSSKIND: Nein.

LEVIN: Sie sagen, es gibt kein allwissendes Wesen. Es gibt niemanden, der gleichzeitig die Perspektive haben kann, zu wissen, dass es –

SÜSSKIND: Es gibt kein allwissendes Wesen, das sowohl das Innere als auch das Äußere sehen kann. Physik ist ein betriebliches Fach, das mit dem zu tun hat, was man sehen und messen kann. Solange Sie also glauben, dass es kein Wesen gibt, das sehen kann, was drinnen und was draußen ist, gibt es keinen Konflikt.

LEVIN: Richtig, es gibt keinen Konflikt.

SÜSSKIND: Und von diesem Zeitpunkt an wurde klar, dass Hawking falsch lag, dass alle Informationen an der Grenze des Systems gespeichert waren und niemals verloren gehen würden.

LEVIN: Erstaunlich.

SÜSSKIND: Ja, es ist erstaunlich.

LEVIN: Er kapituliert also, nicht wahr?

SÜSSKIND: Er hat.

LEVIN: Hat er nicht bekanntlich gegeben, John Preskill eine Enzyklopädie des amerikanischen Baseballs, weil er die Wette eingeräumt hat?

SÜSSKIND: Anscheinend ja.

LEVIN: Warum hat er dir nichts gegeben?

SÜSSKIND: Die Enzyklopädie hätte mir gefallen.

[LEVIN lacht]

SÜSSKIND: Ich weiß nicht. Er gab mir zwar Abendessen und Wein, aber ich hätte die Enzyklopädie des Baseballs vorgezogen.

LEVIN: Ich dachte, es wäre nett von ihm als Brite, ein amerikanisches Geschenk zu machen.

SÜSSKIND: Sie müssen verstehen, dass Stephen sowohl ein freundlicher als auch äußerst witziger Mensch war. Er war lustig. Das einzige Problem mit lustig ist, dass er es nicht einfach ausdrücken konnte. Aber, wissen Sie, hin und wieder kam ein Wort aus seiner Maschine und alle brachen aus. Er war unglaublich witzig, unglaublich freundlich – und stur!

LEVIN: Wer ist zu diesem Zeitpunkt noch nicht überzeugt? Wo sind wir jetzt?

SÜSSKIND: Ich spreche nicht mit diesen Leuten, also weiß ich es nicht. Nun ja, zumindest bis vor Kurzem die ältere Generation der Relativisten, aber selbst sie haben irgendwie aufgegeben, glaube ich. Sagen wir es mal so: Ich glaube, man beurteilt, was Menschen denken, nicht danach, was sie sagen, was sie denken, sondern danach, was sie tun. Wie viele Menschen arbeiten tatsächlich an einer Theorie des Informationsverlusts? Wie viele junge Leute? Es gibt jetzt eine sehr brillante junge Generation von Theoretikern. Keiner von denen. Und wenn ja, werden sie ignoriert.

LEVIN: Sie beschreiben, dass alle Informationen, die ein Schwarzes Loch möglicherweise enthalten kann, am Horizont verteilt sind. Es wird nicht das gesamte Volumen benötigt. Was würde also in irgendeinem Bereich des Weltraums passieren, wenn man versuchen würde, viel mehr Informationen in das Volumen zu packen?

SÜSSKIND: Man könnte nie mehr einpacken, als an der Oberfläche vorhanden wäre. Wenn Sie also denken, dass die Wände Ihres Zimmers beispielsweise mit kleinen Kacheln gefliest sind, die ausreichen, um alles im Inneren des Raums zu kodieren, und wenn Sie versuchen, mehr Informationen in diesem Raum zu erzeugen, raten Sie mal, was passieren würde? Es würde ein Schwarzes Loch entstehen, das größer als der Raum wäre. Daher ist es unmöglich, weitere Informationen einzugeben. Daher muss der Raum selbst proportional zur Raumfläche und nicht zum Volumen beschreibbar sein.

LEVIN: Das ist erstaunlich. Das heißt, dass nicht nur diese exotischen Objekte, die Schwarzen Löcher, Hologramme sind, sondern die ganze Welt ein Hologramm ist.

SÜSSKIND: Genau. Wie gesagt, es gab mehr als eine Person, die dachte, wir wären ein bisschen verrückt, aber damit war Schluss.

[LEVIN lacht]

LEVIN: Warum sehen wir nicht, wie Schwarze Löcher verdampfen, wenn so viel enorme Energie aus Schwarzen Löchern austritt?

SÜSSKIND: In der Nähe dieses Horizonts können nur die Teilchen entweichen, die sich nahezu in exakter radialer Richtung radial nach außen bewegen. Es ist also, als ob das Schwarze Loch eine sehr heiße Kiste wäre, aber mit einem winzigen Loch, das die Strahlung herauslässt. Nur diese winzige Teilmenge der Photonen kann herauskommen. Wenn Sie also fragen: Wie lange braucht ein einzelnes Photon, um aus dem Schwarzen Loch herauszukommen? Nehmen wir an, die Antwort für ein Schwarzes Loch mit Sonnenmasse ist etwa 10^-3 Sekunden. Aber das ist ein Photon. Wie viele Photonen müssen raus? 10⁷⁰. Es ist also ein sehr, sehr, sehr langsamer Prozess, ein Photon nach dem anderen.

Wenn das Schwarze Loch schrumpft, beschleunigt sich der Prozess. Die Zeit, die ein einzelnes Photon benötigt, um herauszukommen, ist proportional zur sogenannten Transitzeit durch das Schwarze Loch. Das ist die Zeit, die ein Lichtstrahl brauchen würde, um den Horizont des Schwarzen Lochs zu durchqueren. Je kleiner das Schwarze Loch wird, desto kürzer wird diese Zeit. Aber erst in der allerletzten Minute beschleunigt es sich so stark, dass es zu dem kommt, was Sie zuvor eine Explosion genannt haben.

LEVIN: Wenn also am Ende des Universums alles, was in die Welt der Schwarzen Löcher fallen kann, in sie hineingefallen ist, werden sie alle explodieren. Und dann was?

SÜSSKIND: Nun, wir müssen nicht warten, bis diese Schwarzen Löcher verdampfen. Soweit wir das beurteilen können, wird das Universum durch einen exponentiell expandierenden De-Sitter-Raum beschrieben. Das bedeutet nur, dass alles von allem wegfliegen wird. In etwa einer Billion Jahren wird das Einzige, was wir entdecken können, unsere eigene Galaxie sein. Alle anderen Galaxien werden zurückweichen. Warum geht unseres nicht zurück? Nun ja, weil wir mittendrin sind und es keinen Sinn macht zu sagen, dass es zurückgeht. Aber alle anderen werden einfach hinter dem kosmischen Horizont verschwinden. Wir werden tot allein sein.

Angenommen, alle astronomischen Informationen, die wir über die Welt haben, wären verloren gegangen. Und jetzt warten wir diese Billionen Jahre, bis eine neue Ansammlung brillanter Astronomen und Physiker entsteht. Sie werden auf die Welt schauen und sagen: „Wir sind wirklich allein.“ Leere jenseits ihrer eigenen Galaxie. Wie würden sie jemals die wahre Geschichte rekonstruieren, dass es all diese Galaxien gab, die einfach auseinanderflogen, und dass sie da draußen sind, aber wir einfach keinen Zugang zu ihnen haben? Wenn Sie also ein paar Billionen Jahre warten, wird genau das passieren. Wenn man um Größenordnungen länger wartet, wird alles schwarze Löcher bilden und die schwarzen Löcher werden verdampfen, und es wird nichts mehr übrig bleiben. Ein bisschen unheimlich.

LEVIN: Eine weitere Frage, die ich habe, ist: Wenn ich ein Universum mit Schwerkraft als ein Universum mit niedrigerer Dimension an der Grenze ohne Schwerkraft umschreiben kann, bedeutet das, dass Schwerkraft irgendwie nicht real ist? Ist die Schwerkraft nicht grundlegend?

SÜSSKIND: Das ist eine gute Frage. Aber Physiker verwenden gerne das Wort „emergent“, dass die Schwerkraft aus einem Regelwerk hervorgeht, das nicht vollständig verstanden wird. Die quantenmechanische Beschreibung ist die Oberfläche des Raumes ohne Schwerkraft auf der Oberfläche. Was aus den Quantengleichungen hervorgeht, ist die Gravitation in der Masse. Bedeutet das nun, dass die Schwerkraft nicht real ist? So hätte ich es nicht ausgedrückt.

LEVIN: Die Realität wird überschätzt.

SÜSSKIND: Nun, mach einfach dein Ding.

LEVIN: Sprechen Sie darüber, wie Sie darüber reden müssen.

SÜSSKIND: Sprechen Sie so darüber, wie Sie darüber sprechen müssen, um es präzise beschreiben zu können. Als ich ein junger Physiker war, war die Einstellung: „Halt die Klappe und rechne.“

Das hat mir nie gefallen. Ich dachte, du solltest die Klappe halten und verstehen. Aber es gibt Grenzen. Wir können uns den vierdimensionalen Raum nicht vorstellen. Ich glaube nicht, dass wir die Prinzipien der Quantenmechanik visualisieren können. Wir wissen, wie man mit ihnen umgeht. Wir wissen, wie man sie in der Mathematik kodiert. Aber wir wissen nicht, wie wir unsere Augen schließen und die Welt auf eine Art Quantenart sehen können.

Ich denke also, dass die Menschen mit „echt“ tendenziell das meinen, was man sich vorstellen kann, weil sich unsere Spezies so entwickelt hat, dass sie bestimmte Dinge erkennen kann. Ist eine vier- oder fünfdimensionale Kugel real? Keine solche Sache. Ich schließe meine Augen; Alles, was ich sehen kann, ist eine dreidimensionale Kugel. Ich kann es mir vorstellen; es muss echt sein. Aber ich denke, dass ein Physiker die Idee, was real und was nicht real ist, aufgeben muss.

LEVIN: Die Realität wird überbewertet.

SÜSSKIND: Nein nein Nein. Realismus wird überbewertet.

LEVIN: Glauben Sie, dass der Schlüssel zum Verständnis der Quantengravitation hier auf dem Gebiet der Schwarzen Löcher liegt?

SÜSSKIND: Ja, ich denke, es liegt im Bereich des Horizonts. Neben den Horizonten von Schwarzen Löchern gibt es noch andere Arten von Horizonten. Wenn es ein Schwarzes Loch gibt, sagen wir hier, dann umgeben wir das Schwarze Loch, der kosmische Horizont umgibt uns. Es ist also eine Art von innen nach außen gerichteter Horizont, der uns umgibt. Wenn sich Dinge aufgrund der Expansion des Universums nach außen bewegen, von uns weg, fallen sie schließlich durch diesen kosmischen Horizont oder nähern sich ihm schließlich und verschwinden aus dem, was wir sehen können. Es gibt also immer noch Rätsel zu diesen Inside-Out-De-Sitter-Horizonten, von denen ich denke, dass wir noch nicht unbedingt an der Lösung sind, was spannend ist. Ich würde sagen, das Schlimmste für jemanden wie mich wäre, wenn alle Probleme gelöst würden.

LEVIN: Ja.

SÜSSKIND: Was machst du dann?

LEVIN: Es wäre sehr langweilig.

SÜSSKIND: Es wäre sehr langweilig. Früher ging ich gern angeln, früher ging ich gern Fliegenfischen.

LEVIN: Das hängen wir an Ihrer Bürotür auf: „Fangen gegangen.“

[Themenspiele]

LEVIN: Wir haben mit dem renommierten theoretischen Physiker Lenny Susskind gesprochen. Lenny, es ist so schön, dass du dabei bist. Ich werde das nächste Mal nach Stanford kommen.

SÜSSKIND: Oh, ausgezeichnet. Exzellent. Sehr gut.

LEVIN: Schön, mit dir zu reden. So ein Vergnügen.

SÜSSKIND: Es war sehr schön, mit dir zu reden, Janna.

LEVIN: Es ist zu lange her.

SÜSSKIND: Ist zu lange her.

[Themenspiele]

LEVIN: „The Joy of Why“ ist ein Podcast von Quanta Magazine, eine redaktionell unabhängige Publikation, die von der unterstützt wird Simons Foundation. Förderentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf die Auswahl der Themen, Gäste oder sonstige redaktionelle Entscheidungen in diesem Podcast oder in Quanta Magazine.

„The Joy of Why“ wird produziert von PRX-Produktionen; Das Produktionsteam besteht aus Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler und Merritt Jacob. Der ausführende Produzent von PRX Productions ist Jocelyn Gonzales. Morgan Church und Edwin Ochoa leisteten zusätzliche Hilfe.

Aus Quanta MagazineJohn Rennie und Thomas Lin leisteten redaktionelle Leitung, mit Unterstützung von Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana und Madison Goldberg.

Unsere Titelmusik stammt von APM Music. Julian Lin hat sich den Podcast-Namen ausgedacht. Die Episodenkunst stammt von Peter Greenwood und unser Logo stammt von Jaki King und Kristina Armitage. Besonderer Dank geht an die Columbia Journalism School und Burt Odom-Reed von den Cornell Broadcast Studios

Ich bin Ihre Gastgeberin, Janna Levin. Wenn Sie Fragen oder Kommentare an uns haben, senden Sie uns bitte eine E-Mail an [E-Mail geschützt] . Danke fürs Zuhören.