Das seltsame Schicksal eines Menschen, der in ein schwarzes Loch fällt

Dies war die meistgelesene Geschichte auf BBC Earth im Jahr 2015. Hier ist eine weitere Chance, sie zu lesen.

Es könnte jedem passieren. Vielleicht sind Sie unterwegs, um einen neuen bewohnbaren Planeten für die Menschheit zu finden, oder vielleicht sind Sie einfach nur auf einem langen Spaziergang ausgerutscht. Wie auch immer die Umstände sind, irgendwann sehen wir uns alle mit der uralten Frage konfrontiert: Was passiert, wenn man in ein schwarzes Loch fällt?

Man könnte erwarten, dass man zerquetscht oder vielleicht in Stücke gerissen wird. Aber die Realität ist seltsamer als das.

In dem Moment, in dem man in das Schwarze Loch fällt, würde sich die Realität in zwei Teile teilen. In der einen würden Sie sofort verbrannt, in der anderen würden Sie völlig unbeschadet in das Schwarze Loch stürzen.

Ein Schwarzes Loch ist ein Ort, an dem die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, zusammenbrechen. Einstein lehrte uns, dass die Schwerkraft den Raum selbst verformt und ihn krümmt. Bei einem Objekt, das dicht genug ist, kann sich die Raumzeit so verzerren, dass sie sich in sich selbst verdreht und ein Loch in das Gefüge der Realität gräbt.

Ein massereicher Stern, dem der Treibstoff ausgegangen ist, kann die extreme Dichte erzeugen, die nötig ist, um ein solches Loch in der Welt zu schaffen. Wenn er unter seinem eigenen Gewicht einknickt und nach innen kollabiert, bricht die Raumzeit mit ihm zusammen. Das Gravitationsfeld wird so stark, dass nicht einmal mehr Licht entweichen kann und die Region, in der der Stern einst war, völlig dunkel wird: ein schwarzes Loch.

Je tiefer man in das Schwarze Loch eindringt, desto krummer wird der Raum

Die äußerste Grenze des Lochs ist sein Ereignishorizont, der Punkt, an dem die Gravitationskraft den Bemühungen des Lichts, ihm zu entkommen, genau entgegenwirkt. Geht man näher heran, gibt es kein Entrinnen.

Der Ereignishorizont ist voller Energie. Quanteneffekte am Rande erzeugen Ströme heißer Teilchen, die zurück ins Universum strahlen. Dies wird Hawking-Strahlung genannt, nach dem Physiker Stephen Hawking, der sie vorhergesagt hat. Mit der Zeit strahlt das Schwarze Loch seine Masse ab und verschwindet.

Wenn man tiefer in das Schwarze Loch eindringt, wird der Raum immer stärker gekrümmt, bis er in der Mitte unendlich gekrümmt ist. Das ist die Singularität. Raum und Zeit sind keine sinnvollen Begriffe mehr, und die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen – die alle Raum und Zeit voraussetzen – gelten nicht mehr.

Was hier passiert, weiß niemand. Ein anderes Universum? Vergessenheit? Die Rückseite eines Bücherregals? Es ist ein Rätsel.

Was passiert also, wenn man versehentlich in eine dieser kosmischen Verirrungen fällt? Fragen wir zunächst deine Weltraumbegleiterin – nennen wir sie Anne -, die entsetzt zusieht, wie du in das schwarze Loch stürzt, während sie sicher draußen bleibt. Von dort aus, wo sie schwebt, werden die Dinge gleich unheimlich.

Während du dich auf den Ereignishorizont zubewegst, sieht Anne, wie du dich dehnst und verformst, als ob sie dich durch eine riesige Lupe betrachten würde. Und je näher du dem Horizont kommst, desto mehr scheinst du dich in Zeitlupe zu bewegen.

Bevor du überhaupt in die Dunkelheit des schwarzen Lochs eintrittst, bist du zu Asche zerfallen

Du kannst ihr nichts zurufen, da es im Weltraum keine Luft gibt, aber du könntest versuchen, ihr mit dem Licht deines iPhones eine Morse-Nachricht zu schicken (dafür gibt es eine App). Deine Worte erreichen sie jedoch immer langsamer, da sich die Lichtwellen zu immer niedrigeren und röteren Frequenzen ausdehnen: „Also gut, a l l r i g h t, a l l r i…“

Als du den Horizont erreichst, sieht Anne dich erstarren, als hätte jemand die Pausentaste gedrückt. Du bleibst wie angegossen stehen, bewegungslos, über die Oberfläche des Horizonts gestreckt, während eine wachsende Hitze dich zu verschlingen beginnt.

Anne zufolge wirst du langsam durch die Ausdehnung des Raums, das Anhalten der Zeit und das Feuer der Hawking-Strahlung ausgelöscht. Noch bevor du in die Dunkelheit des schwarzen Lochs eintrittst, wirst du zu Asche.

Aber bevor wir deine Beerdigung planen, vergessen wir Anne und betrachten diese grausame Szene aus deiner Sicht. Jetzt passiert etwas noch Seltsameres: nichts.

Du segelst geradewegs in das bedrohlichste Ziel der Natur, ohne auch nur einen Stoß oder eine Erschütterung – und ganz sicher ohne Dehnung, Verlangsamung oder Verbrühung. Das liegt daran, dass man sich im freien Fall befindet und daher keine Schwerkraft spürt: etwas, das Einstein seinen „glücklichsten Gedanken“ nannte.

In einem Schwarzen Loch, das groß genug ist, könnte man den Rest seines Lebens ganz normal verbringen.

Schließlich ist der Ereignishorizont nicht wie eine im Raum schwebende Ziegelwand. Er ist ein Artefakt der Perspektive. Ein Beobachter, der sich außerhalb des Schwarzen Lochs befindet, kann nicht hindurchsehen, aber das ist nicht Ihr Problem. Für Sie gibt es keinen Horizont.

Sicherlich, wenn das Schwarze Loch kleiner wäre, hätten Sie ein Problem. Die Schwerkraft wäre an deinen Füßen viel stärker als an deinem Kopf und würde dich ausdehnen wie ein Stück Spaghetti. Aber zum Glück ist es ein großes Loch, millionenfach massiver als unsere Sonne, so dass die Kräfte, die dich spaghettisieren könnten, schwach genug sind, um ignoriert zu werden.

In einem Schwarzen Loch, das groß genug ist, könntest du den Rest deines Lebens ganz normal leben, bevor du an der Singularität stirbst.

Wie normal könnte es wirklich sein, könnte man sich fragen, wenn man gegen seinen Willen in Richtung eines Risses im Raum-Zeit-Kontinuum gesaugt wird und nicht in der Lage ist, in die andere Richtung zurückzukehren?

Man kann sich nicht umdrehen und dem schwarzen Loch entkommen

Aber wenn man darüber nachdenkt, kennen wir alle dieses Gefühl, nicht aus unserer Erfahrung mit dem Raum, sondern mit der Zeit. Die Zeit geht nur vorwärts, niemals rückwärts, und sie zieht uns gegen unseren Willen mit und hindert uns daran, uns umzudrehen.

Das ist nicht nur eine Analogie. Schwarze Löcher verzerren Raum und Zeit so extrem, dass innerhalb des Horizonts des Schwarzen Lochs Raum und Zeit tatsächlich die Rollen tauschen. In gewissem Sinne ist es wirklich die Zeit, die einen in die Singularität hineinzieht. Man kann sich nicht umdrehen und dem schwarzen Loch entkommen, genauso wenig wie man sich umdrehen und in die Vergangenheit zurückreisen kann.

An dieser Stelle sollten Sie vielleicht innehalten und sich eine dringende Frage stellen: Was zum Teufel ist mit Anne los? Wenn du im Inneren des schwarzen Lochs chillst, umgeben von nichts als leerem Raum, warum besteht sie dann darauf, dass du von der Strahlung außerhalb des Horizonts verbrannt wurdest? Hat sie Halluzinationen?

Eigentlich ist Anne vollkommen vernünftig. Aus ihrer Sicht bist du wirklich am Horizont verbrannt. Es ist keine Illusion. Sie könnte sogar deine Asche einsammeln und sie an deine Lieben zurückschicken.

Die Naturgesetze verlangen sogar, dass du aus Annes Sicht außerhalb des Schwarzen Lochs bleibst. Denn die Quantenphysik besagt, dass Informationen niemals verloren gehen können. Jedes bisschen Information, das deine Existenz erklärt, muss außerhalb des Horizonts bleiben, damit Annes physikalische Gesetze nicht gebrochen werden.

Du musst an zwei Orten sein, aber es kann nur eine Kopie von dir geben

Auf der anderen Seite verlangen die physikalischen Gesetze auch, dass du durch den Horizont segelst, ohne auf heiße Teilchen oder irgendetwas Ungewöhnliches zu treffen. Andernfalls würde man gegen Einsteins glücklichsten Gedanken und seine allgemeine Relativitätstheorie verstoßen.

Die Gesetze der Physik verlangen also, dass man sowohl außerhalb des Schwarzen Lochs in einem Haufen Asche liegt als auch innerhalb des Schwarzen Lochs lebendig und gesund ist. Zu guter Letzt gibt es noch ein drittes physikalisches Gesetz, das besagt, dass Informationen nicht geklont werden können. Du musst an zwei Orten sein, aber es kann nur eine Kopie von dir geben.

Die Gesetze der Physik führen uns zu einer Schlussfolgerung, die ziemlich unsinnig erscheint. Physiker nennen dieses ärgerliche Rätsel das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs. Glücklicherweise haben sie in den 1990er Jahren einen Weg gefunden, es zu lösen.

Leonard Susskind erkannte, dass es kein Paradoxon gibt, weil keine Person jemals deinen Klon sieht. Anne sieht nur eine Kopie von dir. Du siehst nur eine Kopie von dir. Du und Anne können niemals Notizen vergleichen. Und es gibt keinen dritten Beobachter, der das Innere und das Äußere eines Schwarzen Lochs gleichzeitig sehen kann. Es werden also keine physikalischen Gesetze gebrochen.

Die Wirklichkeit hängt davon ab, wen du fragst

Es sei denn, du willst wissen, welche Geschichte wirklich wahr ist. Bist du wirklich tot oder bist du wirklich lebendig?

Das große Geheimnis, das uns schwarze Löcher enthüllt haben, ist, dass es kein wirklich gibt. Die Wirklichkeit hängt davon ab, wen man fragt. Es gibt Annes Realität und es gibt deine Realität. Ende der Geschichte.

Nun ja, fast. Im Sommer 2012 entwickelten die Physiker Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski und James Sully, zusammen bekannt als AMPS, ein Gedankenexperiment, das alles, was wir über Schwarze Löcher zu wissen glaubten, auf den Kopf zu stellen drohte.

Sie erkannten, dass die Lösung von Susskind auf der Tatsache beruhte, dass jede Meinungsverschiedenheit zwischen dir und Anne durch den Ereignishorizont vermittelt wird. Es spielte keine Rolle, ob Anne die unglückliche Version von dir sah, die in der Hawking-Strahlung verstreut war, weil der Horizont sie daran hinderte, die andere Version von dir zu sehen, die im Inneren des schwarzen Lochs umherschwebte.

Anne könnte einen Blick hinter den Horizont werfen

Aber was wäre, wenn es einen Weg gäbe, herauszufinden, was sich auf der anderen Seite des Horizonts befindet, ohne ihn tatsächlich zu durchqueren?

Die ordinäre Relativitätstheorie würde sagen, dass das nicht geht, aber die Quantenmechanik macht die Regeln ein wenig unschärfer. Anne könnte einen Blick hinter den Horizont werfen, indem sie einen kleinen Trick anwendet, den Einstein „spukhafte Fernwirkung“ nannte.

Dies geschieht, wenn zwei Gruppen von Teilchen, die im Raum getrennt sind, auf mysteriöse Weise „verschränkt“ werden. Sie sind Teil eines einzigen, unteilbaren Ganzen, so dass die Informationen, die zu ihrer Beschreibung benötigt werden, nicht in einer der beiden Gruppen allein zu finden sind, sondern in den gespenstischen Verbindungen zwischen ihnen.

Die AMPS-Idee geht ungefähr so. Nehmen wir an, dass Anne ein Stückchen Information in der Nähe des Horizonts auffängt – nennen wir es A.

Jedes Informationsbit kann nur einmal verschränkt werden

Wenn ihre Geschichte stimmt und man in der Hawking-Strahlung außerhalb des Schwarzen Lochs verstreut ist, dann muss A mit einem anderen Informationsbit, B, verschränkt sein, das ebenfalls Teil der heißen Strahlungswolke ist.

Wenn Ihre Geschichte hingegen wahr ist und Sie auf der anderen Seite des Ereignishorizonts noch am Leben sind, dann muss A mit einer anderen Information, C, verschränkt sein, die sich irgendwo innerhalb des Schwarzen Lochs befindet.

Der Clou: Jede Information kann nur einmal verschränkt werden. Das bedeutet, dass A nur mit B oder mit C verschränkt werden kann, nicht mit beiden.

Also nimmt Anne ihr Bit, A, und schickt es durch ihre praktische Verschränkungs-Entschlüsselungsmaschine, die eine Antwort ausspuckt: entweder B oder C.

Gleitest du einfach durch und lebst ein normales Leben?

Wenn die Antwort C lautet, dann hat Ihre Geschichte gewonnen, aber die Gesetze der Quantenmechanik sind gebrochen. Wenn A mit C verschränkt ist, das sich tief im Inneren des schwarzen Lochs befindet, dann ist diese Information für Anne für immer verloren. Das bricht das Quantengesetz, dass Information niemals verloren gehen kann.

Damit bleibt B. Wenn Annes Dekodiermaschine herausfindet, dass A mit B verschränkt ist, dann gewinnt Anne, und die allgemeine Relativitätstheorie verliert. Wenn A mit B verschränkt ist, dann ist Annes Geschichte die einzig wahre Geschichte, was bedeutet, dass du wirklich verbrannt bist. Anstatt direkt durch den Horizont zu segeln, wie es die Relativitätstheorie vorschreibt, bist du auf eine brennende Feuerwand gestoßen.

Wir sind also wieder da, wo wir angefangen haben: Was passiert, wenn man in ein schwarzes Loch fällt? Gleitet man hindurch und führt ein normales Leben, dank einer Realität, die seltsamerweise beobachterabhängig ist? Oder nähert man sich dem Horizont des Schwarzen Lochs, nur um mit einer tödlichen Firewall zu kollidieren?

Niemand kennt die Antwort, und sie ist zu einer der umstrittensten Fragen der fundamentalen Physik geworden.

Es würde Anne außerordentlich viel Zeit kosten, die Verschränkung zu entschlüsseln

Physiker haben mehr als ein Jahrhundert damit verbracht, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen, wohl wissend, dass irgendwann das eine oder das andere aufgeben musste. Die Lösung des Firewall-Paradoxons sollte uns sagen, welches von beiden, und uns den Weg zu einer noch tieferen Theorie des Universums weisen.

Ein Hinweis könnte in Annes Entschlüsselungsmaschine liegen. Herauszufinden, mit welchem anderen Informationsbit A verschränkt ist, ist ein außerordentlich kompliziertes Problem. Die Physiker Daniel Harlow von der Princeton University in New Jersey und Patrick Hayden, jetzt an der Stanford University in Kalifornien, fragten sich daher, wie lange es dauern würde.

Im Jahr 2013 berechneten sie, dass Anne selbst mit dem schnellsten Computer, den die Gesetze der Physik zulassen würden, außerordentlich lange brauchen würde, um die Verschränkung zu entschlüsseln. Bis sie eine Antwort hätte, wäre das Schwarze Loch längst verdampft, aus dem Universum verschwunden und hätte die Bedrohung durch eine tödliche Firewall mitgenommen.

Wenn das der Fall ist, könnte die schiere Komplexität des Problems verhindern, dass Anne jemals herausfindet, welche Geschichte die wahre ist. Dann wären beide Geschichten gleichzeitig wahr, die Realität auf verblüffende Weise beobachterabhängig, alle physikalischen Gesetze intakt und niemand in Gefahr, gegen eine unerklärliche Feuerwand zu laufen.

Wenn die wahre Natur der Realität irgendwo verborgen liegt, ist der beste Ort, um danach zu suchen, ein schwarzes Loch

Es gibt den Physikern auch etwas Neues zu denken: die verlockenden Verbindungen zwischen komplexen Berechnungen (wie die, die Anne offenbar nicht durchführen kann) und der Raumzeit. Dies könnte die Tür zu etwas noch Tieferem öffnen.

Das ist die Sache mit den schwarzen Löchern. Sie sind nicht nur lästige Hindernisse für Weltraumreisende. Sie sind auch theoretische Laboratorien, die die kleinsten Macken in den Gesetzen der Physik aufgreifen und sie zu einem solchen Ausmaß verstärken, dass sie nicht ignoriert werden können.

Wenn die wahre Natur der Realität irgendwo verborgen liegt, ist der beste Ort, um danach zu suchen, ein schwarzes Loch. Wahrscheinlich ist es aber am besten, von außen zu schauen: zumindest bis sie diese ganze Firewall-Sache herausgefunden haben. Oder schick Anne rein. Sie ist schon an der Reihe.