Numerische Simulationen haben Physiker auf die Region der Schwarzen Löcher hingewiesen, in der die Vorhersagbarkeit physikalischer Gesetze verletzt werden muss. In einer solchen Region sind die nachfolgenden Zustände des Systems möglicherweise keine Folge der gegenwärtigen, was in der Newtonschen Mechanik und der klassischen Elektrodynamik unmöglich ist. Ein Artikel mit den Ergebnissen wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Normalerweise sprechen physikalische Theorien über den Determinismus der Welt, die Vorhersehbarkeit der Zukunft: Wenn die Anfangsbedingungen bekannt sind, kann man den Zustand jederzeit kennen, wenn man die physikalischen Gesetze kennt. Eine solche Theorie ist beispielsweise die Newtonsche Mechanik. Gleiches gilt für die klassische Elektrodynamik: Wenn Sie die Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder im Raum genau kennen, können Sie ihren Zustand zu jedem anderen Zeitpunkt mithilfe der Maxwellschen Gleichungen bestimmen. Selbst in der Quantenmechanik lässt die Schrödinger-Gleichung keine Zufälligkeit zu: Wenn wir die Wellenfunktion im Anfangszeitpunkt genau kennen, spricht sie in jedem Zeitintervall eindeutig von ihrer zeitlichen Entwicklung.
In der neuen Arbeit untersucht eine Gruppe von Theoretikern unter der Leitung von Vitor Cardoso von der Universität Lissabon den Zusammenbruch eines geladenen Sterns in ein Schwarzes Loch und modelliert dieses Phänomen im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie. Infolgedessen stellt sich heraus, dass in diesem Prozess eine Region entstehen kann, deren Physik nicht durch Kenntnis des Anfangszustands des Sterns vorhergesagt werden kann.
Nach einem der Theoreme im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es einen maximalen Raum-Zeit-Bereich, der durch diese Anfangsbedingungen eindeutig bestimmt wird. Wenn dieser Bereich nicht der gesamte vorhandene Raum ist, stellt sich per Definition heraus, dass es Bereiche gibt, deren Zustand nicht durch die Anfangsbedingungen bestimmt wird. Der englische Wissenschaftler Roger Penrose formulierte eine Hypothese, die als Prinzip einer starken kosmischen Zensur bezeichnet wurde. Er argumentiert, dass dies nicht passieren kann, das heißt, der eindeutig definierbare Bereich ist nicht Teil eines größeren Raums.
Die von der Reissner-Nordstrom-Metrik beschriebene Bildung eines geladenen Schwarzen Lochs verstößt auf den ersten Blick gegen dieses Prinzip, da in diesem Fall der Cauchy-Horizont innerhalb des Schwarzen Lochs gebildet wird, bis zu dem die Raumzeit glatt bleibt und darüber hinaus auf unendlich viele Arten erweitert werden kann. Andererseits ist diese Oberfläche instabil und jede Störung zerstört sie, was zur Bildung einer Singularität und Gerechtigkeit des Prinzips der kosmischen Zensur führt.
Die neue Arbeit untersucht den Zusammenbruch eines Sterns in ein Schwarzes Loch mit einer nahezu begrenzten Ladung unter Berücksichtigung der kosmologischen Konstante (Λ-Term in Einsteins Gleichungen). Der Λ-Term ist sehr klein und wird normalerweise nur in kosmologischen Studien berücksichtigt. Es wurde jedoch gezeigt, dass ein positiver Wert von Λ zu einem stabileren Cauchy-Horizont führt. Selbst unter Berücksichtigung der Störungen ist die Diskrepanz zwischen den Raum-Zeit-Parametern am Cauchy-Horizont daher nicht groß, so dass die Einstein-Gleichungen auch am Horizont gelöst werden können. Dies verstößt gegen das Prinzip einer starken kosmischen Zensur.
Die Krümmungsdiskontinuität am Cauchy-Horizont, die bei einer Grenzladung und einem positiven Λ-Term erhalten wird, ähnelt einer Stoßwelle in einer Flüssigkeit. Es stellt sich heraus, dass ein ausreichend starker Körper durch ihn eindringen könnte. Man kann sich einen Beobachter vorstellen, der in ein Schwarzes Loch springt und den Cauchy-Horizont überquert. In diesem Fall stellt sich seine Zukunft als ungewiss heraus.
Der Nachweis der Gültigkeit der durchgeführten Analyse ist weiterhin erforderlich, da die Autoren nur die lineare Störungstheorie berücksichtigten. Es ist auch erwähnenswert, dass sich keine astrophysikalischen Schwarzen Löcher mit begrenzenden Ladungen bilden können, da es keine derart hoch geladenen Sterne gibt. Der Cauchy-Horizont tritt jedoch auch bei rotierenden Schwarzen Löchern auf, obwohl sie weniger Symmetrien aufweisen. Die Arbeit berücksichtigte auch nicht hypothetische Quanteneffekte, die in solchen Bereichen stark sein können.
Werbevideo:
