Tote Sterne strahlen nicht
(johncarlosbaez.wordpress.com)- Die neue Behauptung, dass auch massereiche Objekte, die keine Schwarzen Löcher sind, Hawking-Strahlung abgeben, führt zu dem Schluss, dass statische tote Sterne Masse verlieren und verschwinden – im Widerspruch zur etablierten Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit
- Die Argumentation folgt der Struktur, dass ein Gravitationsfeld Teilchen-Antiteilchen-Paare erzeugt und die Strahlung Energie abführt; offen bleibt jedoch, durch welchen Prozess die Protonen und Neutronen, aus denen der Stern besteht, verschwinden sollen
- Gegenbeiträge sehen die Rechnungen als auf groben Näherungen beruhend, die selbst bei einfacheren Problemen falsche Ergebnisse liefern; das Ergebnis von Ashtekar und Magnon aus dem Jahr 1975 zeigt die Vakuumstabilität statischer Raumzeiten
- Wenn es überall ein zeitartiges Killing-Feld gibt, gilt Zeittranslationssymmetrie; unter dieser Bedingung lässt sich eine Quantenfeldtheorie konstruieren, die Teilchen und Antiteilchen unterscheidet, sodass keine spontane Teilchenerzeugung auftritt
- Bei einem Schwarzschild-Schwarzen-Loch ist das Killing-Feld am Ereignishorizont nicht mehr zeitartig, daher lässt sich dieselbe Logik nicht anwenden; die Behauptung einer Strahlung toter Sterne wirkt eher wie der Versuch, ein seit Jahrzehnten geklärtes Problem mit schwächeren Näherungen umzustürzen
Ausgangspunkt der Debatte: Hawking-Strahlung von Objekten, die keine Schwarzen Löcher sind
- Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom und Heino Falcke vertreten in Gravitational pair production and black hole evaporation die Auffassung, dass auch massereiche Materieansammlungen, die keine Schwarzen Löcher sind, Hawking-Strahlung abgeben
- In einem neuen Paper behaupten sie zudem, auch kalte, tote Sterne gäben Hawking-Strahlung ab, verlören langsam Masse und könnten schließlich verschwinden
- Damit diese Schlussfolgerung gilt, müsste erklärt werden, wie die Protonen und Neutronen im Stern verschwinden; sie kollidiert daher mit der Erhaltung der Baryonenzahl
- Die Autoren räumen die Möglichkeit einer Verletzung der Baryonenerhaltung ein, legen aber nicht dar, durch welchen Prozess dies geschehen soll
- Übrig bleibt die Struktur, dass das Gravitationsfeld des Sterns Teilchen-Antiteilchen-Paare erzeugt, diese Paare als Strahlung entweichen und der Stern wegen der Energieerhaltung Masse verlieren muss
Wo der Konflikt mit der etablierten Physik liegt
- Wenn diese Behauptung stimmt, würde sie die bisherigen Rechnungen der Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit umstoßen, nach denen statische Materieansammlungen keine Hawking-Strahlung abgeben
- Zugleich würde daraus folgen, dass die Erhaltung der Baryonenzahl scheitern muss, damit die Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit konsistent bleibt
- Diese Papers hatten in der Physik-Community jedoch kaum Wirkung, und es erschienen auch kurze Gegenbeiträge
- Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas und Silvia Pla weisen in Comment on “Gravitational pair production and black hole evaporation” darauf hin, dass die verwendete Näherung selbst bei einfacheren Problemen falsche Ergebnisse liefert
- Complex effective actions and gravitational pair creation von E. T. Akhmedov, D. V. Diakonov und C. Schubert behandelt ähnliche Probleme
Vakuumstabilität statischer Raumzeiten
- Das Paper Quantum fields in curved space-times von Abhay Ashtekar und Anne Magnon aus dem Jahr 1975 zeigt, dass sich in statischen Raumzeiten ein Vakuumzustand wohldefiniert angeben lässt und dass dieses Vakuum stabil ist
- Der Kernsatz lautet:
- „Wenn die zugrunde liegende Raumzeit ein überall zeitartiges Killing-Feld zulässt, ist der Vakuumzustand tatsächlich stabil, und Phänomene wie spontane Teilchenerzeugung treten nicht auf.“
- Dass es überall ein zeitartiges Killing-Feld gibt, bedeutet, dass die Raumzeit eine Zeittranslationssymmetrie besitzt
- Ashtekar und Magnon setzen zusätzlich folgende Bedingungen voraus:
- Die Raumzeit ist global hyperbolisch (globally hyperbolic)
- Die Wellengleichung für massive Teilchen mit Spin 0 besitzt für glatte Anfangsdaten glatte Lösungen
- Unter diesen Bedingungen lässt sich Energie definieren, und Lösungen können in positive und negative Frequenzlösungen zerlegt werden
- Lösungen mit positiver Frequenz entsprechen Teilchen
- Lösungen mit negativer Frequenz entsprechen Antiteilchen
- Dadurch ist wie in der Minkowski-Raumzeit eine Konstruktion der Quantenfeldtheorie mit einem Vakuum möglich, das nicht zerfällt
Auf Schwarze Löcher lässt sich dasselbe Ergebnis nicht direkt anwenden
- Auch die Schwarzschild-Lösung, die ein statisches Schwarzes Loch beschreibt, besitzt ein Killing-Feld
- Dieses Killing-Feld ist am Ereignishorizont jedoch nicht mehr zeitartig, sodass das Ergebnis von Ashtekar und Magnon nicht auf Schwarze Löcher anwendbar ist
- Eine didaktischere Darstellung findet sich in Robert Walds Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics
- Insbesondere Abschnitt 4.3 behandelt Quantenfeldtheorie in stationären Raumzeiten
- Die Dissertation Loop Quantization versus Fock Quantization of p-Form Electromagnetism on Static Spacetimes von Valeria Michelle Carrión Álvarez behandelt den Fall der Elektrodynamik
- Ashtekar und Magnon sowie Wald konzentrieren sich zur Vereinfachung hauptsächlich auf massive Skalarfelder
Grenzen von Wissenschaftsberichterstattung und Peer Review
- Das Paper von Wondrak, van Suijlekom und Falcke erschien in einem angesehenen Physikjournal, doch es wurde die Möglichkeit geäußert, dass es nicht von Fachleuten des betreffenden Gebiets begutachtet wurde
- Selbst einem Physikpaper in einem renommierten Journal sollte man nicht blind vertrauen; man sollte das Thema entweder wirklich verstehen oder es von vertrauenswürdigen Experten prüfen lassen
- Manche Wissenschaftsberichte vertrauten ohne Expertenprüfung auf Pressemitteilungen und setzten Überschriften wie „Das Universum endet viel früher als erwartet“
- Das Ergebnis, dass das Gravitationsfeld statischer Objekte keine Teilchen-Antiteilchen-Paare erzeugt, wurde vor Jahrzehnten streng hergeleitet; die neue Näherungsrechnung wirft weniger neues Licht auf das Problem, als dass sie gegenüber den bestehenden Ergebnissen deutlich stärker handwaving-artig wirkt
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Natürlich hat das Gandalf gesagt. Bevor jemand widerspricht, sollte man bedenken, dass Gandalf ein Zauberer ist und sich nicht mit solchen Kleinigkeiten wie der Raumzeitkontinuität aufhalten muss.
P.S.: https://quoteinvestigator.com/2014/07/13/truth/
Kurz gesagt: Die Formulierungen, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lüge und Wahrheit gegenüberstellen, haben sich über mehr als 300 Jahre entwickelt, und der Satz, den Jonathan Swift 1710 schrieb, kann ihm zu Recht zugeschrieben werden. Allerdings taucht darin die Schuh-Metapher noch nicht auf.
Wenn es keinen Gravitationsschacht gibt, dessen Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, verstehe ich nicht, wie in diesem Szenario Hawking-Strahlung entstehen soll.
Beide virtuellen Teilchen des Teilchen-Antiteilchen-Paars würden schließlich wieder verschwinden; es ist ja nicht so, dass eines von ihnen den Ereignishorizont überschritten hätte.
Soweit ich weiß, gibt es keine zugleich exakte, intuitive und nicht-mathematische Erklärung dafür, weshalb Wissenschaftskommunikatoren oft in einer Weise vereinfachen, die ihr Publikum in die Irre führen kann.
Hawking selbst sagte dazu: „Man kann sich vorstellen, dass direkt außerhalb des Ereignishorizonts virtuelle Paare existieren, bestehend aus einem Teilchen mit negativer Energie und einem Teilchen mit positiver Energie. Dieses Bild eines Mechanismus, der thermische Strahlung und eine Verringerung der Fläche hervorruft, ist lediglich heuristisch und sollte nicht zu wörtlich genommen werden.“
Ist die Aussage „Die Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit kann nur konsistent sein, wenn die Baryonenzahl nicht erhalten bleibt“ heute wirklich noch schockierend? Für mich klang das eher wie eine logische Folgerung aus der Hawking-Strahlung schwarzer Löcher.
Ich dachte, der Schock sei längst verdaut und inzwischen akzeptiert. Die Rechnungen der Autoren des betreffenden Papers mögen falsch sein, aber dieser Blogbeitrag, der solche Sätze wie selbstverständliche Wahrheiten hinauswirft, hinterlässt bei mir kein gutes Gefühl. So ein emotionaler Stil nach dem Muster „Wer nicht zustimmt, ist dumm“ steht niemandem gut zu Gesicht, der wissenschaftliche Überzeugungsarbeit beruflich betreibt.
Auch Wikipedia[0] schreibt unter Berufung auf den MIT-Quantengravitationsphysiker Daniel Harlow: „Die Erhaltung der Baryonenzahl ist nicht mit der Physik der Verdampfung schwarzer Löcher durch Hawking-Strahlung vereinbar.“
[0] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Baryon_number
Und außerdem ist es John Baez. Er kennt sich in seinem Fachgebiet aus.
Zum eigentlichen Streitpunkt: Schockierend ist hier die Behauptung, dass die Baryonenzahl auch ohne Beteiligung schwarzer Löcher nicht erhalten bleibt.
In „Comment on ‘Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation’“ befassen sich Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas und Silvia Pla mit den in dem Paper verwendeten Gleichungen und schlagen einen besseren Ansatz vor, als diese Gleichungen überhaupt zu verwenden.
Sie erklären, dass das Resultat „in niedrigster Ordnung der Störungsentwicklung erhalten wurde, während das Standardverfahren, um unter Verwendung der Näherung schwacher Felder einen nichtperturbativen Schwinger-Effekt zu gewinnen, darin besteht, alle Terme zu resummieren“.
Außerdem sei der Ansatz des kritisierten Papers nicht einmal in der Lage, den Fall korrekt zu behandeln, der schon in der elektromagnetischen Situation auftritt; im gravitativen Fall sei es erst recht schwieriger. Inhaltlich ist das dasselbe, was Baez sagte, nur in einem sehr viel fachlicheren Ton und mit einer entsprechend fachlicheren Methodik.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.13...
Bisher hat keines davon einen Zerfall gefunden; das Fazit lautet, dass die Halbwertszeit des Protons mindestens 2.4E34 Jahre beträgt. https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_decay#Experimental_evid...
Ich habe auch einen älteren Artikel im Quanta Magazine gesehen, der ein Experiment mit einem riesigen Tank aus extrem reinem Wasser und vielen Detektoren beschreibt. Schwarze Löcher sind dafür nicht nötig. https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-u... (HN-Diskussion https://news.ycombinator.com/item?id=13201065)
Im Zusammenhang mit dieser Haltung „so offensichtlich, dass jeder Nichtzustimmende ein Idiot ist“ gibt es auch Behauptungen, die so offenkundig falsch sind, dass man eher ein Idiot wäre, ihnen zuzustimmen. Die Leute wiederholen ständig den Unsinn von Penrose, obwohl dafür eine unphysikalische zeitartige Unendlichkeit nötig ist.
Die heutige populärwissenschaftliche, fast schon science-fictionartige Darstellung lautet, dass man in ein schwarzes Loch fallen kann und am Ereignishorizont „nichts Besonderes passiert“. Und gleich im nächsten Absatz heißt es dann, ein externer Beobachter werde niemals beobachten, wie das Opfer hineinfällt.
Zwei Beobachter können bei so einer Frage nicht zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen kommen. Um das zu behaupten, müsste man entweder glauben, dass sich das Universum irgendwann aufspaltet und die beiden Beobachter dann uneins sein dürfen, oder man müsste Logik, Konsistenz, Beobachterbegriffe und alles andere aufgeben, was einem als Physiker wichtig sein sollte.
Wenn der externe Beobachter niemals sieht, wie das Opfer hineinfällt, dann fällt das Opfer auch niemals hinein. Das ist die objektive Realität. Dass Penrose-Diagramme etwas anderes sagen, liegt daran, dass sie eine unphysikalische unendliche Zeit enthalten.
Selbst wenn unendliche Zeit „erreichbar“ wäre, wäre das mathematisch nicht sauber und physikalisch unsinnig; außerdem spielt es ohnehin keine Rolle, weil es Hawking-Strahlung gibt. Schwarze Löcher haben eine endliche Lebensdauer.
Es gibt nur eine logisch konsistente und physikalisch saubere Interpretation: Nichts kann tatsächlich hineinfallen. Einfallende Objekte verlangsamen sich im äußeren Bezugsrahmen, und aus ihrer eigenen Perspektive scheint die Zeit des schwarzen Lochs immer schneller zu vergehen, je näher sie ihm kommen. Daher scheint sich auch die Hawking-Verdampfung zu beschleunigen. Um mit dem externen Beobachter konsistent zu bleiben, muss diese Verdampfung so schnell erfolgen, dass das Opfer keine Oberfläche erreichen kann. Stattdessen entfernt sich das schwarze Loch von ihm und verdampft immer schneller.
Solche Modelle und ähnliche Ansätze können alle Quantenzahlen erhalten, weil es dort weder Firewall noch Rand noch irgendetwas gibt, das das Quantenfeld „zurücksetzen“ müsste. Alles ist kontinuierlich und konsistent, und die Quantenzahlen bleiben erhalten. Ein externer Beobachter sieht genau das schwarze Loch, das man heute ohnehin erwartet, und das schwarze Loch verhält sich und verdampft auf dieselbe Weise.
Ich habe das Gefühl, dass es im Universum noch etwas gibt, das wir bisher übersehen, und dass auch die großen vereinheitlichten Theorien der nächsten Milliarde Jahre es übersehen werden.
Die damalige HN-Diskussion:
Universe expected to decay in 10⁷⁸ years, much sooner than previously thought (phys.org) https://news.ycombinator.com/item?id=43961226 223 points, 5 days ago, 323 comments
Vor ein paar Tagen habe ich hier einen ziemlich ähnlichen Kommentar geschrieben
https://news.ycombinator.com/item?id=43964524
Ja, das Paper ergibt keinen Sinn. Viel mehr gibt es dazu nicht zu sagen. Auf Preprint-Servern landet gelegentlich auch Zeug, das die Art von Text ist, die kein Peer Review bestehen würde. Erinnert ihr euch an den koreanischen „Supraleiter“ von vor etwa zwei Jahren? Die Medien sollten vorsichtig sein, wenn sie über so etwas schreiben
„Wenn ich als Wissenschaftsjournalist über eine solche supposedly schockierende Entwicklung schreiben würde, hätte ich ein paar Experten eine E-Mail geschickt, um zu prüfen, ob das echt ist“
Mit so einer Haltung würden heute alle glauben, die Erde sei flach oder die Sonne kreise um die Erde. Denn die Experten damals lagen bei beidem falsch
Was diese Sache eher zeigt, ist nicht, dass die ursprünglichen Autoren dumm waren, sondern dass viel Wissen in Silos eingeschlossen ist
Wenn das Ziel ist, das Wissen aller voranzubringen, ist das keine gute Sache. Egal, was in der Wissenschaft gerade passiert: Dass es selbst zwischen relativ eng verwandten Feldern nicht klappt, ist kein gutes Zeichen
Ich glaube nicht, dass sie dumm oder böswillig waren, aber bei einem so unerwarteten Ergebnis keinen Rat einzuholen, könnte etwas leichtsinnig gewesen sein
1: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theory_in_curved...
Aber die Welt ist kompliziert, und außerhalb des eigenen Kerngebiets macht man leicht Fehler. Der Sinn des wissenschaftlichen Verfahrens ist, Ergebnisse vor Augen zu bringen, die Fehler entdecken können. Der verlinkte Blogbeitrag ist dafür ein Beispiel. Dann streiten oder spotten alle, und die Welt dreht sich weiter. Dieses System hat funktioniert
Womit dieses Verfahren nicht gut ist, ist neue Ideen auszusieben, bevor Leute daraus News-Schlagzeilen machen. Das ist sicher unerquicklich, aber überhaupt kein Versagen der Wissenschaft. Die Augen haben richtig funktioniert
Man hätte es korrigieren können. Vielleicht würden wir dann nicht zwei Jahre später immer noch denselben Abfluss hinunterkreisen, aber genau das tun wir noch immer. Ziemlich typisch und ziemlich langweilig
Dadurch arbeitet jemand allein weiter an etwas, bei dem ihm sonst vielleicht schon vor Monaten oder Jahren jemand hätte sagen können: „Hier ist ein Problem“
In wissenschaftlicher Form ist das so, als hätte man vor dem Erstellen eines Pull Requests akribisch an einem Branch gefeilt, nur um dann zu hören: „Hier gibt es ein riesiges Memory Leak, und außerdem geht das Gewünschte schon mit einer anderen API“
Ich weiß nicht, ob es dafür eine Lösung im menschlichen Maßstab gibt. Die Forschungslandschaft ist zu groß, um alle mit allen zu verbinden, dafür zu sorgen, dass jeder, der Hilfe braucht, wertvollen Input bekommt, und zugleich alle, die helfen könnten, nicht unter halbgarem Müll zu begraben. Das gilt selbst dann, wenn man annimmt, dass Forschungsmotivation und Anreize auf allen Ebenen lauter sind. In der Pull-Request-Analogie gibt es auch Dinge wie CVE-Spammer
Wenn Universitäten wenigstens damit aufhören würden, alles, was klickträchtig aussieht, ohne Due Diligence als Pressemitteilung herauszugeben, könnte das gelegentlich solche öffentlichen Spektakel außerhalb der Wissenschaft verringern, aber das Grundproblem löst es nicht
Wenn man sich die Diskussion zum ursprünglichen HN-Artikel[1] ansieht, findet man weiter unten einen Kommentar von A_D_E_P_T, der erklärt, warum das Paper keinen Sinn ergibt, und auf eine der in diesem Beitrag erwähnten Widerlegungen verweist. Dieser Kommentar wurde von den HN-Lesern heruntergewählt. Ich weiß das, weil er schon grau war, als ich ihn vor ein paar Tagen hochgewählt habe
Es geht also nicht um Wissenssilos, sondern darum, dass normale Leute wie wir einfach über den neuesten Durchbruch reden wollen, ohne zu tief hineinzuschauen. Wenn man zu tief schaut, ist der Spaß vorbei
[1] https://news.ycombinator.com/item?id=43961226
Gibt es eine einfache Möglichkeit zu verstehen, warum ein Objekt mit Masse keine Gravitationsstrahlung aussendet? Ein beschleunigter Beobachter sieht laut Unruh-Effekt ein Meer thermischer Strahlung
Wenn man auf einem Planeten steht, wird man unter der Schwerkraft beschleunigt; sollte man dann nicht Unruh-Strahlung sehen? Hat das etwas mit Hawking-Strahlung zu tun?
Dieses Detail ist mir aufgefallen
„[Im Paper von 1975] nehmen Ashtekar und Magnon ebenfalls an, dass die Raumzeit global hyperbolisch ist“
Ist die moderne Annahme nicht, dass die Raumzeit global flach ist?
Dass der Raum flach ist, ist keine Annahme. Die Allgemeine Relativitätstheorie legt keine globale räumliche Krümmung fest, daher könnte sie global negativ oder positiv gekrümmt sein. Es gibt bisher nur keine Hinweise darauf
Bei Schwarzen Löchern gibt es im Wesentlichen einen „Verlust einer Dimension“. Um zu erklären, was das bedeutet, müsste man eine viel längere Geschichte erzählen, deshalb versuche ich es hier nicht
Daher könnte die als „Baryon“ bekannte Anordnung aus drei Quarks etwas sein, das sich je nach Zahl der Raumdimensionen bildet. Wenn 3 Dimensionen == 3 Quarks sind, dann entstehen Baryonen nur in 3 Dimensionen, und wenn Materie den Ereignishorizont erreicht, könnten die Quarks auseinandergerissen und neu angeordnet werden, sodass sie einfach zu etwas werden, bei dem so etwas wie ein Baryon nicht existiert. Zum Beispiel wie in einem 2-dimensionalen Raum
Ich neige zu der Auffassung, dass die „Oberfläche“ des Ereignishorizonts der Ort ist, an dem die Gesetze erhalten bleiben, und dass die Singularität oder vielleicht sogar das gesamte Innere des Schwarzen Lochs überhaupt nicht existiert
Die vielen Punkte, an denen die Relativitätstheorie die Raumzeit „zerbricht“, also Probleme mit Unendlichkeiten und Division durch 0, lassen sich lösen, wenn man annimmt, dass eine Dimension verschwindet. Zum Beispiel ist die Längenkontraktion bei Lichtgeschwindigkeit das Zusammendrücken und Entfernen einer Dimension, und die Zeitdilatation ist ebenfalls das Entfernen einer Dimension am Ereignishorizont oder bei Lichtgeschwindigkeit
Wenn dich das an das holografische Prinzip erinnert hat, dann ja. Aus meiner Sicht drückt die Lorentz-Gleichung selbst aus, wie ein N-dimensionaler Raum glatt in einen (N-1)-dimensionalen Raum übergeht. Genau an dem Punkt, an dem eine Dimension „verloren“ geht, geschieht das in einer Form ähnlich einer Exponentialkurve, die eine Asymptote erreicht
Warum „Zeit“ in jeder Dimensionalität immer wie eine besondere Dimension erscheint, liegt meiner Ansicht nach daran, dass sie in der Hierarchie der Dimensionen die Dimension „direkt darüber“ oder „direkt darunter“ ist. Deshalb muss „Zeit“ in der Distanzformel des Minkowski-Raums das entgegengesetzte Vorzeichen (+/-) zu den anderen Dimensionen haben, und das gilt unabhängig davon, ob man das Vorzeichen der Zeit als positiv oder negativ auffasst, also unabhängig von der Signaturkonvention der Metrik
Das bedeutet natürlich, dass unser gesamtes 4-dimensionales Universum ein in einen größeren Raum eingebetteter Raum ist und technisch gesehen aus der Perspektive höherer Dimensionen ebenfalls eine Art „Ereignishorizont“ ist