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Hawking-Strahlung



Die 'Hawking-Strahlung'\ ist ein vom britischen Physiker Stephen Hawking postulierter Effekt, der auf quantenmechanischen und relativistischen Gesetzmäßigkeiten beruht. Danach können beispielsweise relativ kleine Schwarze Löcher regelrecht "verdampfen".

Table of contents
1 Virtuelle Teilchen
2 Gravitation
3 Singularitäten
4 Schwarze Löcher
5 Minilöcher
6 Hawking-Strahlung

Virtuelle Teilchen

Laut den Gesetzen der Quantenmechanik können innerhalb der von der Heisenbergschen Unschärferelation gesetzten Grenzen Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen und sich sogleich wieder annihilieren, wobei die für die Paarbildung notwendige Energie innerhalb der Unschärfe aus dem "Nichts" geborgt und wieder zurück gegeben wird. Die Gesamtenergie des Vakuumfluktuation genannten Vorgangs ist somit Null. Nach Annahmen der modernen Physik passiert das auch ständig, so dass selbst der scheinbar leere Raum von diesen virtuellen Teilchen erfüllt ist. Eine experimentell nachweisbare Wirkung dieses Umstands ist der Casimir-Effekt, der darauf beruht, dass Teilchen gleichzeitig Welleneigenschaften besitzen. (Wellen und Teilchen sind nur Manifestationen des selben Phänomens - der Quanten, aus denen die Welt im Kleinsten besteht.) Wenn nun zwei parallele Metallplatten in einem sehr kleinen Abstand zueinander stehen, wirkt eine messbare Kraft auf sie. Diese entsteht, weil zwischen den Platten aufgrund des geringen Abstands virtuelle Quanten mit bestimmten Wellenlängen (größer als der Plattenabstand) nicht entstehen können, außerhalb davon aber sehr wohl. Dadurch wirken von außen mehr virtuelle Quanten auf die Platten als dazwischen und sie ziehen sich an.

Gravitation

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation nicht als Kraft, sondern als Effekt der Verformung einer vierdimensionalen Raumzeit durch die in ihr enthaltene Materie. Albert Einstein sprengte mit dieser Annahme unser Vorstellungsvermögen, aber die aus der Theorie resultierenden Voraussagen wurden in vielen Experimenten bestätigt. Wenn beispielsweise ein Planet seine Sonne umkreist, dann kann das einerseits als Resultat einer gegenseitigen Anziehungskraft angesehen werden, aber ebenso als geodätische Bahn: der Planet folgt der "kürzesten" möglichen Verbindung in einer durch die Masse der Sonne gekrümmten Raumzeit. Menschen als dreidimensional (räumlich) denkenden Wesen erscheint das als Kreis- oder Ellipsenbahn, da sie die physikalische Zeitdimension nicht als solche erfassen können.

Singularitäten

Egal, unter welchem Aspekt die Gravitation betrachtet wird - ob als Kraft oder als Raumzeitkrümmung - hat sie gewisse Wirkungen. Je mehr Masse in einem bestimmten Raumvolumen konzentriert ist, um so stärker wird die Gravitation. Dabei gibt es nach heutigem Wissensstand keine Grenzen nach oben. Übersteigt die Massedichte eine bestimmte Grenze, wird diese Raumregion zu einer Singularität. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt für diesen Fall das Versagen sämtlicher bekannten physikalischen Gesetze einschließlich ihrer selbst voraus. Eine Singularität ist ein nicht beschreibbarer Punkt oder Zustand, in dem alle bekannten Naturgesetze ihre Gültigkeit verlieren. Genau genommen gehört eine Singularität nicht mehr zu unserem Universum. Berühmte Wissenschaftler wie Roger Penrose versuchten daher immer wieder, eine Art "kosmische Zensur" zu postulieren, ein physikalisches Gesetz, das "nackte Singularitäten" verbietet und diese aus wissenschaftlicher Sicht monströsen Gebilde nur "verhüllt" zulässt.

Schwarze Löcher

Singularitäten wurden vor allem als das "Innere" von Schwarzen Löchern bekannt. Im Allgemeinen versteht man darunter die Überreste von ausgebrannten Sternen, deren Masse nach dem Ende der Energieerzeugung noch so groß ist, dass sie unter der eigenen Last unaufhaltsam in sich zusammenstürzen - sie kollabieren zu einem Punkt. Die Dichte wird sogar größer als die von Neutronen und übersteigt schließlich alle Grenzen. Die Raumzeit im Inneren erfährt dabei eine unendliche Krümmung. In einem gewissen Abstand, der von der ursprünglichen Masse abhängt, ist die Krümmung immer noch so stark, dass selbst Licht nicht daraus entkommen kann. Dieser Abstand heißt Ereignishorizont (siehe auch Schwarzschildradius). Sobald Materie oder Energie ins Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs geraten und unter den Ereignishorizont tauchen, werden sie unweigerlich in die Singularität gezogen und existieren nicht mehr in unserem Universum. Für einen weit entfernten äußeren Beobachter würden sie aufgrund relativistischer Effekte jedoch für unendlich lange Zeit am Ereignishorizont erstarren.

Da Schwarze Löcher per definitionem weder Licht noch sonstige Informationen aussenden, sind sie unsichtbar. Es können jedoch mittelbare Effekte beobachtet werden, die als Indizien für ihre Existenz gelten, wie beispielsweise der Gravitationslinseneffekt. Astronomen und Astrophysiker vermuten mit großer Wahrscheinlichkeit ein Schwarzes Loch bei der Röntgenquelle Cygnus X1. Ebenso sicher sind sie sich, dass im Zentrum der Milchstraße ein gigantisches Schwarzes Loch von mehreren Millionen Sonnenmassen existiert.

Minilöcher

Schwarze Löcher können aber nicht nur aus kollabierenden Sternen entstehen. Wenn es gelänge, mit Anlagen der Hochenergiephysik genügend Energie in einem Punkt zu fokussieren, könnte ein Schwarzes Loch in der Größenordnung von Elementarteilchen theoretisch auch auf der Erde erzeugt werden. Ein solches mikroskopisches Loch käme einer "nackten Singularität" recht nahe.

In einigen Theorien zur Entstehung des Universums gehen die Wissenschaftler davon aus, dass manche begrenzte Regionen der Raumzeit quasi als Überbleibsel des Urknalls bei der Expansion des Kosmos in ihrem superdichten Zustand "eingefroren" blieben sein könnten. Diese "Schwarzen Minilöcher" müssten dann messbare Wirkungen im Raum erzeugen. Es gibt jedoch bis jetzt keine Anzeichen dafür.

Hawking-Strahlung

Stephen Hawking stieß bei seinen Forschungen zu Schwarzen Löchern und zu den Vereinigungstheorien (GUT) auf eine mögliche Erklärung dafür. Auch in der Nähe von Ereignishorizonten gelten die Gesetze der Quantenmechanik und es entstehen ständig virtuelle Teilchenpaare. Es kann nun nach statistischen Gesetzen vorkommen, dass einer der virtuellen Partner ins Gravitationsfeld gerät und unter den Ereignishorizont gezogen wird, während sein "Zwilling" entkommt. Da sich die virtuellen Paare dann nicht mehr innerhalb der Unschärfe vernichten können, sind sie real geworden. Um aber die von der Unschärferelation "geborgte" Energie zur Erzeugung des Paars auszugleichen, geschieht dies auf Kosten der Masse des Schwarzen Lochs. (Masse und Energie sind ja laut Einstein äquivalent.) Statistisch entkommen gleich viele Teilchen und Antiteilchen, die ihren Partner eingebüßt haben, der Singularität und werden real. Treffen zwei gegensätzliche Partner aufeinander, vernichten sie sich in einem messbaren Strahlenblitz und werden zu realer Energie, die wie beschrieben zu Lasten der Masse des Schwarzen Lochs geht. Insgesamt sieht dieser Vorgang für einen Beobachter aus, als würde das Schwarze Loch regelrecht zerstrahlen oder "verdampfen".

Anhand weiterer Berechnungen wies Hawking nach, dass dieser Effekt umso stärker auftritt und sich umso mehr beschleunigt, je kleiner das Schwarze Loch ist. Deshalb, so seine Schlussfolgerung, können wir keine hypothetischen kleinen Schwarzen Löcher aus der Anfangszeit des Universums nachweisen. Sie sind bereits in dem beschriebenen Prozess zerstrahlt.




     
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