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Blockkurs bei „TMP“

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. 

Der Mathematik der Hawking-Strahlung auf der Spur

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.

Schwarze Löcher sind doch nicht ganz schwarz

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“