Quantenfeldtheorie ist die Sprache in der Physiker über Elementarteilchen sprechen. Setzt man eine solche in eine gekrümmte Raumzeit, wie sie etwa von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie gefordert wird, gibt es überraschende Effekte. So ist etwa das Vakuum nicht mehr leer, sondern enthält Teilchen.
Schwarze Löcher sind Gegenden im Universum, in denen die Schwerkraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal das Licht, sie verlassen kann. Beachtet man aber Quanteneffekte, stellt man fest, dass sie nichtsdestotrotz von einer Teilchenstrahlung umgeben sind. Der britische Physiker Stephen Hawking hatte diese zuerst berechnet und sie darauf zurückgeführt, dass Schwarze Löcher eine kleine, aber doch vorhandene Temperatur haben und die Teilchen die entsprechende Wärmestrahlung darstellen.
Eine sehr ähnliche thermische Teilchenstrahlung würde ein Beobachter feststellen, der sich mit einer extrem starken Beschleunigung (etwa in einer Rakete) durch das Vakuum bewegt, obwohl dieses auch aus der Sicht eines ruhenden Beobachters leer ist. Dieser Effekt ist nach seinem Entdecker als „Unruh-Strahlung“ benannt worden.
Beiden Effekten ist gemeinsam, dass man zu ihrer Berechnung Quantenfeldtheorien nicht der flachen Minkowski-Raumzeit, der Kombination aus dem dreidimensionalen Raum und der Zeit, betrachten muss, sondern diese zu einer gekrümmten Raumzeit verallgemeinern muss.
Um diese Verallgemeinerung im Detail zu verstehen, ist es nötig, die mathematischen Grundlagen der Quantenfeldtheorie kritisch zu hinterfragen und darauf abzuklopfen, welche Aspekte wie zu übertragen sind. Unter anderem stellt man dabei fest, dass es keinen objektiven Begriff des Vakuums mehr gibt, sondern dieser vom Betrachter abhängt.
Ein Experte für diese Fragen ist Prof. Jorma Louko aus Nottingham. Er kommt im April als Gast in den Elitestudiengang „Theoretische und Mathematische Physik“ in München, um in einem viertägigen Intensivkurs diese und verwandte Themen im Detail zu erläutern. Insbesondere wird er berichten, wie genau die Detektion dieser Teilchenstrahlung von der Sicht des Beobachters abhängt.
Alle diese Fragen sind gegenwärtig vor allem mathematischer Natur, da in Experiment und Beobachtung zugängliche Schwarze Löcher (etwa im Zentrum der Milchstraße) und Raketenbeschleunigungen nur zu mikroskopisch kleinen Temperaturen führen, die weit davon entfernt sind, experimentell beobachtbar zu sein. Trotzdem werden sie fundamentale physikalische Fragen auf, etwa was geschieht, wenn ein Schwarzes Loch aufgrund seiner Strahlung kleiner wird und am Ende verschwindet: Verschwindet damit auch sämtliche Information über die Dinge, die in dieses Schwarze Loch irgendwann hineingefallen sind?
Text: Robert Helling, Elitestudiengang „Theoretische und Mathematische Physik“