Tote Sterne strahlen nicht

• Eine aktuelle Arbeit behauptet, dass alle massereichen Objekte Hawking-Strahlung emittieren und selbst tote Sterne letztlich verschwinden
• Diese Behauptung impliziert eine Verletzung der Baryonenzahlerhaltung und steht im Widerspruch zu etablierten Theorien
• Fachleute kritisieren die Rechnungen der Arbeit als ungenau; ein Gravitationsfeld statischer Masse erzeugt tatsächlich keine Teilchen-Antiteilchen-Paare
• Bereits vor Jahrzehnten haben Ashtekar und Magnon u. a. streng bewiesen, dass das Vakuum in statischen Raumzeiten stabil ist
• Rund um die jüngste fehlerhafte Berichterstattung häufen sich übertriebene Meldungen, doch die bestehenden physikalischen Prinzipien bleiben unverändert

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Die Behauptung von Hawking-Strahlung bei toten Sternen

In einer aktuellen Arbeit behaupten die drei Forscher Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom und Heino Falcke, dass nicht nur Schwarze Löcher, sondern alle massereichen Objekte Hawking-Strahlung emittieren.

• Sie behaupten, dass selbst kalte tote Sterne durch Hawking-Strahlung allmählich Masse verlieren und schließlich ganz verschwinden würden
• Laut dieser Behauptung könnte der Untergang des Universums deutlich früher eintreten als bislang angenommen

Diese Theorie verletzt das bestehende Gesetz der Baryonenzahlerhaltung.

• Es gibt keine klare Erklärung für den Mechanismus der Vernichtung von Protonen und Neutronen, aus denen Sterne bestehen
• Stattdessen wird lediglich behauptet, dass das Gravitationsfeld eines Sterns Teilchen-Antiteilchen-Paare erzeugt und der Stern dadurch Masse verliert

Reaktionen von Fachleuten

Falls Fachleute diese Behauptung für stichhaltig hielten, wäre das ein revolutionäres Ereignis auf dem Gebiet der Quantengravitation.

• Bisher galt als Lehrmeinung, dass ruhende Materie keine Hawking-Strahlung emittiert
• Falls die Theorie korrekt wäre, müsste in der Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit die Erhaltung der Baryonenzahl zwangsläufig verletzt werden, was die Physik tief erschüttern würde

Tatsächlich haben diese Arbeiten in der Physikgemeinschaft kaum Wirkung entfaltet.

• Arbeiten von Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas, Silvia Pla u. a. weisen darauf hin, dass die von ihnen verwendete vereinfachte Näherungsmethode schwere Fehler erzeugt
• E. T. Akhmedov u. a. haben ähnliche Kritik geäußert

Echte Fachleute wissen bereits seit vor 1975, dass das Gravitationsfeld statischer Masse keine Erzeugung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren auslöst.

Medienberichte und Missverständnisse in der Öffentlichkeit

Die von Wondrak u. a. eingereichten Arbeiten wurden zwar fachlich begutachtet, aber nicht tatsächlich von Spezialisten dieses Gebiets geprüft.

• Die Veröffentlichung in einer renommierten Physik-Zeitschrift ist nicht automatisch ein Garant für Verlässlichkeit
• Medienberichte zu dieser Behauptung haben die Fakten nicht sauber geprüft und reißerisch berichtet

Beispielhafte Schlagzeilen:

• CBS News: „Das Universum wird viel früher enden als bisher angenommen“
• Space.com, Forbes und weitere Medien hoben das Thema hervor und verstärkten die öffentliche Verwirrung
• Falschinformationen verbreiten sich schnell, sodass korrekte Fakten nur schwer vermittelt werden können

Strenger theoretischer Hintergrund

Tatsächlich haben Ashtekar und Magnon (1975) die Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit streng untersucht.

• Sie bewiesen, dass in einer statischen Raumzeit das Vakuum stabil ist, wenn überall eine Raumzeit-Symmetrie (timelike Killing field) existiert
• Unter dieser Bedingung tritt keine natürliche Entstehung (spontane Erzeugung) von Teilchen-Antiteilchen-Paaren auf

Auch in Robert Walds Lehrbuch wird dies ausführlich behandelt.

• Es erklärt die Definition des Energiebegriffs in gekrümmter Raumzeit, die Stabilität des Vakuums und eine strenge Methode zur Unterscheidung von Teilchen und Antiteilchen
• Die Schwarzschild-Lösung (also ein ruhendes Schwarzes Loch) besitzt ebenfalls ein Killing-Feld, doch am Ereignishorizont ändern sich die Eigenschaften, sodass dieses Resultat dort nicht direkt anwendbar ist

Aus den Arbeiten von Ashtekar und Magnon sowie Wald ergibt sich als etablierte Lehrmeinung, dass das Gravitationsfeld statischer Himmelskörper keine Teilchenerzeugung erklärt.

Fazit und aktueller Stand

• Das statische Gravitationsfeld von Sternen oder Materie gilt seit Jahrzehnten als nicht in der Lage, Hawking-Strahlung oder Teilchenpaar-Erzeugung auszulösen
• Die in der jüngsten Arbeit vorgestellte Näherungsrechnung steht dazu im Widerspruch, und ihre Fehler wurden bereits an mehreren Stellen aufgezeigt
• Wegen der Mängel der Näherungsmethode erfordert diese Frage keine langwierige Debatte
• Es handelt sich um ein Thema, das schon vor mehr als 50 Jahren im Wesentlichen geklärt wurde; von einem neuen Ergebnis zu sprechen, ist daher schwierig
• Die jüngste Arbeit birgt Übertreibung und erhebliches Missverständnispotenzial, weil sie der Tiefe der bestehenden Theorie nicht gerecht wird

Referenzen

• Abhay Ashtekar, Anne Magnon: Quantum fields in curved space-times (1975)
• Robert Wald: Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics (1994)
• Doktorarbeit von Valeria Michelle Carrión Álvarez (2004) u. a.

Dass tote Sterne und andere statische Himmelskörper keine Hawking-Strahlung emittieren, gilt durch jahrzehntelange theoretische und experimentelle Forschung als klar bestätigt.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Das Gefühl, dass es im Universum noch etwas gibt, das wir übersehen, und dass große Theorien, die sich über die kommenden Milliarden Jahre erstrecken, das nicht erfassen

• Es wird infrage gestellt, wie in dieser Situation Hawking-Strahlung entstehen kann, wenn die Fluchtgeschwindigkeit aus dem Gravitationspotenzialtopf nicht größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn beide virtuellen Teilchen eines Paares überleben und keines davon den Ereignishorizont überschreitet, gebe es keinen Grund, warum sie verschwinden sollten

  • Erinnerung daran, dass die Erklärung der Hawking-Strahlung mit „einem Teilchen des Paares wird im Ereignishorizont gefangen“ nur eine vereinfachte Metapher für die reale Physik ist. Tatsächlich sei die Streuung von Teilchen (oder Feldern) am Ereignishorizont das eigentliche Phänomen. Es wird darauf hingewiesen, dass Hawking selbst betonte, dieses Bild sei nur eine heuristische Veranschaulichung und dürfe niemals wörtlich genommen werden
  • Tatsächlich sei diese Metapher nur ein fiktives Beispiel, das erfunden wurde, um die Funktionsweise der Hawking-Strahlung zu erklären, und nicht mehr als eine überzogene Metapher zur Zufriedenstellung von Wissenschaftsjournalisten

• Frage nach einer einfachen Möglichkeit zu verstehen, warum massereiche Himmelskörper keine Gravitationswellen abstrahlen. Da ein beschleunigter Beobachter wegen des Unruh-Effekts Wärmestrahlung sieht, wird gefragt, ob man beim Stehen auf einem Planeten wegen der Gravitation beschleunigt ist und daher Unruh-Strahlung sehen müsste, und wie das mit Hawking-Strahlung zusammenhängt

  • Aus Sicht eines Laien wird angemerkt, dass man beim Stehen auf einem Planeten nicht wirklich beschleunigt wird, sondern vom Boden gestützt wird; solange man nicht im freien Fall ist, liegt also keine tatsächliche Beschleunigung vor

• Mit Vergnügen wird erwähnt, dass man vor ein paar Tagen einen ähnlichen Kommentar geschrieben habe. Der Inhalt der betreffenden Arbeit sei absurd, und es wird davor gewarnt, dass auf Preprint-Servern mitunter Arbeiten auftauchen, die kein Peer Review bestehen würden. Medien müssten damit vorsichtig umgehen

  • Da die Arbeit auch in PRL erschienen ist, wird scherzhaft angemerkt, es hätte der eigenen Karriere vielleicht geholfen, selbst eine ähnliche Arbeit zu schreiben und einzureichen
  • Unabhängig davon, ob die Arbeit Unsinn ist oder nicht, wird Sorge darüber geäußert, dass in der kritischen Bewertung die Haltung zitiert wird, bei einem Artikel über eine „schockierende Entdeckung“ müsse ein Wissenschaftsjournalist unbedingt Experten zur Faktenprüfung befragen. Mit so einer Haltung hätte man früher auch einfach geglaubt, als Experten fälschlich verbreiteten, die Erde sei flach oder die Sonne kreise um die Erde

• Das Problem, das diese Kontroverse gezeigt habe, sei weniger, dass die ursprünglichen Autoren dumm gewesen seien, sondern vielmehr die Realität, dass Wissen je nach Fachgebiet aufgeteilt und verstreut ist. Wenn das Ziel die Weiterentwicklung des Wissens aller sei, dann sei ein solcher Zustand fragmentierten Wissens nicht wünschenswert. Es wird darauf hingewiesen, dass es innerhalb der Wissenschaft Probleme in angrenzenden Feldern gibt

  • Es wird bezweifelt, ob die Fragmentierung wirklich so stark ist. Die in der Arbeit auftauchende Bedingung eines „global timelike Killing vector“ werde in der Quantenfeldtheorie grundlegend behandelt; da die Autoren fachlich nicht völlig fachfremd seien, hätten sie das zumindest erwähnen sollen. Die Forscher seien weder böswillig noch dumm, aber es sei leichtsinnig gewesen, zu einer schockierenden Schlussfolgerung zu gelangen, ohne ausreichend mit Experten zu sprechen
  • Tatsächlich sei das Ziel des Forschungsbetriebs, Arbeiten möglichst breit und offen zu veröffentlichen, also handle es sich nicht um eine echte Fragmentierung des Wissens. Allerdings neigten die meisten Forscher dazu, ihre Ergebnisse bis zur Veröffentlichung als Preprint streng zurückzuhalten, sodass ihnen oft niemand sagen könne, dass ihre Forschung bereits einen fatalen Fehler enthält. Letztlich gebe es menschliche Grenzen wie Networking zwischen zahllosen Forschern, Input und Feedback-Überlastung. Dass solche PR-orientierten Pressemitteilungen ohne Faktenprüfung in die Medien gelangen, könne man vielleicht verhindern, aber das sei nicht das Grundproblem
  • Ein weiterer Aspekt sei, dass die ursprünglichen Autoren und populärwissenschaftlichen Journalisten oft nicht wüssten, wo der Fehler liegt, oder nicht verstünden, warum eine kühne Behauptung keinen Sinn ergibt. Das sei ein chronisches Problem und ein Grund, warum die Debatte auch nach zwei Jahren nicht abgeschlossen sei
  • Das eigentliche Problem sei weniger aufgeteiltes Fachwissen als vielmehr die Psychologie des Publikums, das die Verbreitung und Diskussion reizvoller Geschichten liebt. Da Einwände von Experten den Spaß verderben, wolle man sie nicht gern hören. Es wird eine Erfahrung geschildert, dass es auch auf HN Gegenkommentare zu der Arbeit gab, die viele jedoch zugunsten kurzweiliger Unterhaltung ignorierten
  • Der Inhalt der Arbeit liege nicht an „fragmentiertem Wissen“, alles sei auf arXiv offengelegt. Das Problem sei, dass jeder außerhalb des eigenen Fachgebiets leicht Fehler machen könne. Das Wesen der Wissenschaft sei, viele Menschen darüber schauen zu lassen, und dass sich nach Kontroversen am Ende eine Schlussfolgerung herausbildet, sei ein Beispiel dafür, dass das System funktioniert habe. Zugleich wird eingeräumt, dass es an Mechanismen fehlt, neue Ideen zu filtern, bevor sie zu Zeitungsartikeln verarbeitet werden

• Zur Behauptung, „wenn die Erhaltung der Baryonenzahl verletzt würde, wäre das wirklich schockierend“, wird eingewandt, dass dies eher eine seit Langem aus der Hawking-Strahlung diskutierte logische Konsequenz sei, die früher als schockierend galt, heute aber weitgehend als natürlich angesehen werde. Es wird angemerkt, dass die Berechnung der Autoren zwar problematisch sein könne, aber Sätze im Blogbeitrag, die wie allzu selbstverständliche Aussagen präsentiert würden, eher das Vertrauen minderten. Unter Verweis auf Zitate aus Wikipedia und von Daniel Harlow vom MIT wird erklärt, dass die mögliche Unvereinbarkeit zwischen Schwarzes-Loch-Verdampfung und Erhaltung der Baryonenzahl seit Langem bekannt ist

  • Statt emotionalen Schreibens sei eine saubere Kritik mit Formeln und Logik, wie in der von John Carlos Baez zitierten fachlichen Bewertung der PRL-Arbeit, angenehmer zu lesen. In dieser Arbeit werde auf Expertenniveau erläutert, dass die Formeln im Paper in der Schwachfeldnäherung tatsächlich nicht korrekt seien und elektromagnetische/gravitative Paarerzeugungssituationen nicht richtig behandeln
  • Es seien bereits viele einschlägige Arbeiten und Lehrbücher verlinkt, und John Baez sei eine vertrauenswürdige Person mit Fachkenntnis. Der Kern der Kontroverse sei, dass die Behauptung, Nicht-Erhaltung der Baryonenzahl sei auch ohne Schwarze Löcher möglich, tatsächlich schockierend sei
  • Experimente zur Messung von Verletzungen des Baryonenzahlerhaltungsgesetzes würden auf der Erde auch ohne Schwarze Löcher durchgeführt, und bislang sei nichts nachgewiesen worden, sodass belegt sei, dass die Halbwertszeit des Protons mindestens 2.4E34 Jahre beträgt. Erwähnt werden ein Artikel von Quantamagazine über das entsprechende Experiment und eine HN-Diskussion
  • Es wird erwähnt, dass auch im Standardmodell nichtperturbative Phänomene der Nicht-Erhaltung der Baryonenzahl enthalten sind
  • Zur Unvereinbarkeit von Schwarzes-Loch-Verdampfung und Erhaltung der Baryonenzahl wird betont, dass es tatsächlich auch Schwarze-Loch-Modelle gibt, in denen solche Quantenzahlen erhalten bleiben. Wie schon Penrose meine, sei es falsch, immer wieder auf unphysikalische Annahmen (unendliche Raumzeit usw.) zurückzugreifen. In der populären Wissenschaft tauchten oft gleichzeitig die Aussagen auf: „Am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs passiert nichts“ und „Ein äußerer Beobachter wird nie sehen, wie das Opfer in ein Schwarzes Loch fällt“ — doch zwei Beobachter könnten im selben Universum bei physikalischen Ereignissen nicht beide widersprüchlich recht haben. Die logisch konsistente Interpretation sei nur ein Modell, in dem niemand den Ereignishorizont überschreiten kann und alle Quantenzahlen erhalten bleiben. Es wird eine in allen Beobachterperspektiven konsistente Interpretation vorgestellt, einschließlich beschleunigter Schwarzes-Loch-Verdampfung

• Aus dem Ashtekar-und-Magnon-Paper von 1975 wird die Annahme herausgegriffen, dass „die Raumzeit global hyperbolisch strukturiert“ sei. Es wird gefragt, ob heute nicht eher die Annahme verbreitet sei, dass die Raumzeit global flach ist

  • „Global hyperbolisch“ beziehe sich auf die kausale Struktur der Raumzeit; verwiesen wird auf Wikipedia
  • Raumzeitkrümmung und Raumkrümmung seien verschiedene Dinge, und selbst wenn dreidimensionale Schnitte flach seien, könne die gesamte Raumzeit hyperbolisch sein. Da die Allgemeine Relativitätstheorie die globale Raumkrümmung nicht festlege, gebe es bisher keine besonderen Belege

• Es wird die Erfahrung geteilt, schon einmal Fälle gesehen zu haben, in denen vereinfachte Rechnungen wie die reale Wirklichkeit behandelt wurden, um ein Perpetuum mobile vorzuschlagen

• Zwar seien das klassische Problem und seine heutige Form verstanden, doch wichtiger sei jetzt, was man dagegen tun könne. Wissenschaft sollte eigentlich kein Feld für Falschinformationen sein, aber derzeit fehle ein Abwehrsystem. Manche würden dafür bezahlt, Unwahrheiten zu verbreiten, während es keinen Anreiz gebe, für das Entlarven von Unwahrheiten bezahlt zu werden; von außen wirkten wissenschaftsinterne Kontroversen dadurch wie politische Kämpfe, was am Ende das Vertrauen in Wissenschaftler beschädige. Das sei ein wirklich ernstes Problem

• Zitat der Einsicht aus der Lehre des angesehenen Forschers Eskil Simonsson: „Auch tote Sterne leuchten noch“