Hawking-Strahlung. Verständnisproblem von mir?
Schon 1974 entwickelte Stephen Hawking das Konzept, nach dem Schwarze Löcher (SL) je nach ihrer Masse mehr oder weniger schnell zerstrahlen (Hawking-Strahlung). Die Heisenbergsche Unschärferelation der Quantenmechanik soll dies möglich machen. Die SL 'verdampfen' allmählich. Laut dieser Theorie ist der gesamte Weltraum mit virtuellen Teilchen aus Marterie und Antimaterie gefüllt die ständig in Paaren entstehen und sich dann wieder vernichten.
Geschieht dies in der Nähe des Ereignishorizontes eines SL kann ein Teilchen hineinfallen so dass dem anderen Teilchen jetzt der Partner fehlt. Dadurch dass dem SL diese Teilchen entkommen soll es an Masse verlieren und schrumpfen. Und hier habe ich mein Verständnisproblem! Ein Teilchen entkommt aber ein anderes wird von dem SL verschluckt. Sollten diese beiden Teilchen sich nicht gegenseitig aufheben? Für jedes abgestrahlte Materieteilchen welches die Masse des SL verringern soll bleibt ein Antiteilchen im SL zurück. Und für jedes abgestrahlte Antiteilchen welches entkommt bleibt ein Materieteilchen im SL zurück (siehe auch Grafik unten). Hebt sich das nicht gegenseitig auf?
Sogar die Anzahl Materieteilchen und Antiteilchen welche abgestrahlt bzw. verschluckt werden dürften nach der Wahrscheinlichkeit ziemlich genau 50% zu 50% sein. Wo ist die Asymmetrie? Wo ist der Denkfehler? Was fehlt noch in meiner Erklärung zur Hawking-Strahlung oder hatte etwa Stephen Hawking unrecht? Das kann ich mir eigentlich nicht vorstellen aber logisch ist es mir auch nicht :-(
4 Antworten
Diese Analogie ist leider sehr falsch und häufig erzählt. In Wirklichkeit ist es etwas komplizierter. Es gibt die sogenannte Vakuumsflukation, und bei dieser können virtuelle Paar-Antipaar Teilchen entstehen. Die Flukation wird mithilfe von Wellen der Quantenfelder beschrieben, auch hier beschreibt die Unschärferelation wieso das so ist. Allerdings verändert ein Schwarzes loch ziemlich stark den Raum, sodass viele Wellenmodi nicht mehr entstehen können, bzw mehr außerhalb als in der Nähe des schwarzen Lochs. Dadurch kommt es zu einem Art Symmetriebruch, wodurch Teilchen entstehen könnten ( nicht nachgewiesen) und ein schwarzes Loch den Anschein erweckt abzustrahlen.
Ich habe den Eindruck, dass dies hier die treffendste Erklärung für meine Frage sein könnte. Du bist für mich erst mal Kandidat für 'hilfreichste Antwort', ich warte aber etwas ab was noch so an Antworten kommt. Möchte nicht voreilig sein ;-)
Und diese Teilchen (die entstehen könnten) müssen ihre Energie irgendwoher bekommen und entnehmen sie dem SL, richtig? Das war jedenfalls die Erklärung einer anderen Antwort von Kelec hier in diesem Thread.
Ich habe jetzt nur noch ein Problem. Wer von Euch beiden (Kelec und Du) "erntet die Lorbeeren"? Ich kann nur einmal "hilfsreichste Antwort" vergeben, ihr habt es aber beide verdient!
1. antiteilchen sind bis auf ihre ladung(en) völlig identisch zu den "normalen" teilchen. es ist im prinzip völlig willkürlich was wir teilchen und was wir antiteilchen nennen. ein reales antiteilchen dass in ein schwarzes loch fällt erhöht dessen masse genauso wie ein teilchen. es geht bei dieser (sinnlosen, siehe unten) analogie nicht darum dass mehr antiteilchen als teilchen ins schwarze loch fallen würden. photonen, welche den größten teil der Hawking-strahlung ausmachen, haben gar keine antiteilchen (bzw sind ihre eigenen antiteilchen). das reinfallende teilchen hätte dabei nur irgendwie negative energie.
2. diese weit verbreitete "erklärung" (von Hawking selbst ausgedacht) hat leider überhaupt nichts mit der dahinter stehenden physik zu tun. gar nichts. es quasi leider nur ein märchen dass er sich ausgedacht hat, um auch menschen die nicht das nötige hintergrundwissen haben zumindest "irgendwas" erzählen zu können was irgendwie cool und halbwegs plausibel (Hawking hat sehr gerne populärwissenschaftliche bücher geschrieben, mit ein grund warum er so berühmt ist). aber mit der physik hat das leider nicht mehr so viel zu tun. wenn du mit dieser "erklärung" deine probleme hast dann mach dir nicht viel draus. es ist ohnehin nicht die wirkliche erklärung.
Ich vermute für die 'wirkliche Erklärung' müsste ich die Heisenbergsche Unschärferelation
die hat damit jetzt nicht direkt was zu tun.
die Quantenfeldtheorien berechnen bzw. nachvollziehen und überprüfen können, am besten unter Berücksichtigung relativistischer Effekte vermute ich.
this!
quantenfeldtheorie in gekrümmten raumzeiten (eine "echte" quantisierte theorie der gravitation haben wir ja leider noch nicht).
Vielleicht hat für die 'wirkliche Erklärung' Jemand der voll den Durchblick hat aber eine andere, verbesserte und verfeinerte Analogie, welche Normalos wie mir logisch einleuchtet. Hoffe ich jedenfalls :-)
scheint schwierig zu sein, denn ich kenne keine. ich selbst würde sagen dass ich mich in der materie wohl gut genug auskenne um zu wissen dass die "virtuelle teilchen ploppen aus dem nichts blablabla" erklärung absolut nichts taugt (das ist ja auch kein geheimnis oder irgendwie meine privatmeinung oder so), aber obwohl ich quantenfeldtheorie "beruflich betreibe" und mir auch die grundlagen der ART vertraut sind, bin ich nie zur Hawking-strahlung vorgestoßen (habe es aber auch nie ernsthaft versucht und zeit hineingesteckt). somit kann ich hier leider nur sagen wie es NICHT geht, aber leider nicht wirklich erklären wie es denn stattdessen schon geht. das ist für dich natürlich unbefriedigend, aber recht viel mehr kann ich dir leider nicht weiterhelfen.
ach ja, dieser text ist vielleicht ganz hilfreich: https://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/BlackHoles/hawking.html
Trotzdem vielen Dank für Deine Zeit und Deine Mühe. Vielleicht verlange ich bei meinem spärlichen Vorwissen auch zu viel hier in diesem Forum :-(.
Zunächst mal sind das erstmal nur virtuelle Teilchen. Diese existieren nicht sondern sind nur ein Mathematisches Objekt.
Sie können unter Umständen reelle Teilchen werden was eben hier passiert. Die Virtuellen Teilchen sind dabei nur ein Mathematisches Hilfsmodell um eben diese Strahlung zu beschreiben.
Das was eigentlich hier passiert, ist dass das SL Energie verliert. Egal ob jetzt ein Teilchen oder Antiteilchen entkommt sobald eines entkommt nimmt es Energie mit und die fehlt danach dem Schwarzen Loch.
Das Teilchen oder Antiteilchen nimmt also Energie mit, sagst Du. Wieso, Woher? Die Energie ist doch auch gequantelt, oder nicht? Welches Energieteilchen wird also 'mitgenommen' bzw. abgestrahlt? Ist mir immer noch zu diffus, SORRY.
Das Teilchen selbst hat ja eine Energie. Es hat kinetische Energie und einen Impuls und wenn es Masse besitzt hat es auch über E=mc² eine Energie.
Ein Energieteilchen gibt es nicht extra sondern das Teilchen selbst ist die Energie.
Ich dachte die Energieteilchen sind die Photonen. Sie sind auch ihre eigenen Antiteilchen. Oder stimmt das nicht? Wenn Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen bleiben doch Photonen übrig.
Naja Photonen haben eben nur keine Ruhemasse sondern tragen eben nur Energie im klassischen Sinne.
Nach Einstein hat aber jede Masse ebenfalls eine Energie in der Form E=mc² diese ist eben für Photonen null.
Gleichzeit hat auch jedes Teilchen welches sich bewegt eine kinetische Energie welche in dem Fall ja auch vom SL stammen muss.
Die Hawkingstrahlung muss aber nicht zwingend ein Teilchen sein. Das können auch Photonen sein welche bei besonders Energiereichen Photonen dann eben selbst ein Materie Antimaterie Paar (in dem Fall nicht virtuell) bilden können.
Moment ich habe deine Frage nochmal gelesen und glaube jetzt verstanden zu haben wo dein Problem liegt.
Das mit den virtuellen Teilchen ist mehr oder minder ein einfacher Erklärungsversuch aber darum gehts hier an sich gar nicht.
Ein virtuelles Teilchenpaar hat zusammen keinen Impuls und auch keine Energie in dem Sinne weil man es nie getrennt betrachten kann. Es ist virtuell also kein wirkliches Teilchen.
Die Hawkingstrahlung besteht aber aus reellen Teilchen oder Photonen und die tragen uim Gegensatz zum virtuellen Teilchenpaar einen Impuls und eine Energie.
Das mit dem entkommen des einen Teilchens und des anderen Teilchens ist nur eine Art um zu erklären, dass da Teilchen bzw Photonen aus dem SL heraus kommen, das was aber quasi zählt ist nur das reelle Teilchen welches entkommt, das virtuelle Teilchen im SL ist und bleibt virtuell und damit ein rein mathematisches Konstrukt.
Der Grund warum man die verwendet ist die sogenannte Vakuumfluktuation die daraus entstammt, dass der Grundzustand eines Quantenmechanischen Systems in der klassischen Beschriebung nach wie vor Energie beeinhaltet wobei diese Energie aber nicht nutzbar ist. Daher virtuelles Teilchenpaar und die haben auch keine Wechselwirkung.
Ist ein Quantenmechanisches System aber nicht im Grundzustand kann es Energie abgeben und in so einem Fall kann aus einem virtuellen Teilchenpaar ein reeles Teilchenpaar entstehen (Paarerzeugung) oder es kann auch nur ein einzelnes reelles Teilche entstehen wie eben bei der Hawkingstrahlung.
Der Grund warum nur ein Teilchen entsteht nämlich das was das SL verlässt ist quasi der Umstand, dass das SL in dem Sinne ja ab dem Ereignishorizont keine Information mehr hergibt. Sprich wenn man annimmt, dass da ein reelles Teilchenpaar entsteht wobei eines ins SL zurück fällt wird diese Information durch den Ereignishorizont geschluckt und das was bleibt ist nur das abgestrahlte reelle Teilchen mit seiner Energie, während das Antiteilchen dazu weiterhin im System bleibt und diese auch unmöglich wieder verlassen kann, also auch von außen niemals sichtbar oder messbar sein kann.
Danke für die sehr lange und ausführliche Antwort. Zwei (oder drei?) Informationen kann mir ein SL schon Geben. Seine Gesamtmasse (messbar an der Schwerkraftwirkung), höchstwahrscheinlich einen Drehimpuls (Spin) und eventuell die Ladung? (hat ein SL möglicherweise eine Ladung?). Egal.
während das Antiteilchen dazu weiterhin im System bleibt und diese auch unmöglich wieder verlassen kann, also auch von außen niemals sichtbar oder messbar sein kann.
Dieses Antiteilchen was im System bleibt muss doch dieselbe Masse wie das Teilchen haben, oder nicht? Nach Deiner Aussage hat das "abgestrahlte reelle Teilchen seine Energie" (äquivalent zu einer Masse). Müsste dieses Teilchen nicht die Masse des SL erhähen?
Messbar ist damit höchstens eine minimale Schwerkraftzunahme des SL, sichtbar bleibt es natürlich nicht. Natürlich nur unter der Annahme, dass die Information beim überschreiten des Ereignishorizontes verloren geht. Da streiten sich aber die Geister ja auch noch.
Entweder ich bin zu blöd Deine Erklärung zu verstehen oder es löst mein logisches Problem immer noch nicht. Kurze Antwort wäre nett :-)
Ja Masse, Drehimpuls Ladung etc kann man schon messen.
Naja die Sache ist ja eigentlich die, dass kein Antiteilchen im SL zurück bleibt. Das Antiteilchen im SL ist rein virtuell also nicht vorhanden, nur das Teilchen Außerhalb des SL ist wirklich ein Teilchen.
Warum sollte das Teilchen im SL die Masse erhöhen? Auch wenn es reell wäre würde das ja nicht gehen. Es muss ja die Energieerhaltung gelten. Nachdem die Energie für das Teilchen und Antiteilchen aus dem SL stammen und das Teilchen davon fliegt bleibt nur die Energie des Antiteilchens im SL zurück und die Energie des Antiteilchens ist ja nur halb so groß wie die Energie des generierten Teilchen Antiteilchen Paars.
Diese Teilchen und Antiteilchen entstehen ja nicht einfach, sondern die sind einfach nur Teilchen welche aus der Energie des SL erzeugt werden.
Nachdem die Energie für das Teilchen und Antiteilchen aus dem SL stammen und das Teilchen davon fliegt bleibt nur die Energie des Antiteilchens im SL zurück ...
Warum stammt die Energie für Teilchen und Antiteilchen aus dem schwarzen Loch? Ich denke, Teilchen und Antiteilchen entstehen nahe oder direkt am Ereignishorizont, so dass ein Teilchen davonfliegt und eines vom SL geschluckt wird. Aus dem schwarzen Loch kann ja eigentlich nichts entkommen und würde Teilchen und Antiteilchen knapp innerhalb des SL entstehen, würde beide verschluckt werden.
SORRY, dass ich so eine 'Nervensäge' bin :-)
Naja von irgendwo muss die Energie ja stammen ;)
Sobald aus einem virtuellen Teilchen ein reelles wird muss von einem System Energie entzogen werden, ansonsten kann es kein reelles Teilchen werden.
Dieses System kann dabei jedes System sein, zB ein Photon im Falle der Paarbildung oder eben ein schwarzes Loch bei der Hawkingstrahlung.
Die Erklärung mit den virtuellen Teilchen bei der Hawkingstrahlung hinkt zwar etwas (die eigentliche Erklärung ist etwas komplizierter, daher sagt die Hawkingstrahlung ja auch Photon vorraus) aber ma kann die hierfür verwenden. Wenn man aus einem virtuellen Teilchenpaar eines der beiden Teilchen entfernt wird muss das andere reell werden sonst ist es nicht möglich ein virtuelles Teilchenpaar zu trennen. Diese Energie die dann eben aus dem virtuellen Teilchen ein reelles macht stammt direkt aus dem schwarzen Loch und in dieser Beschreibung direkt aus der gravitativen Kopplung des anderen Teilchens welches in das SL einfällt.
Wie gesagt virtuelle Teilchen heißen so weil es sie nicht gibt. Das sind mathematisch Näherungen welche aus dem Standardmodell stammen und den Grundanregungszustandes eines Feldes beschreiben. Daher treten sie immer paarweise auf und daher können sie selbst auch keine Energie übertragen. Entfernt man nun eines der virtuellen Teilchen aus dieser Gleichung muss das verbleibende Teilchen reell werden und damit Energie aus dem System mitnehmen.
Das leuchtet mir jetzt wenigstens einigermaßen ein, auch wenn die eigentliche Erklärung noch etwas komplizierter sein soll. Ich glaube noch komplizierter würde mich überfordern.
Demnach kann das neue reelle Teilchen die Energie nur dem SL entnehmen und nicht der Umgebung knapp außerhalb des SL, richtig? Schonmal Danke für Alles :-)
Ja richtig.
Bei der Hawkingstrahlung wird immer angenommen, dass die Umgebung um das SL im Grundzustand ist. Daher kann aus dieser keine Energie entnommen werden. Die einzige Möglichkeit ist dann eben, dass die Energie aus dem SL kommt.
Enzi1 hat das in seiner Antwort auch beschrieben wobei er hier auch von der eigentlichen Beschreibung über die Anregungszustände der Felder ausgegangen ist. Das von ihm verwendete Wort Symmetriebruch passt eigentlich doch recht gut und das ist dann eben auch die Folge warum hier eventuell Teilchen außerhalb des SL gebildet werden können.
Ich habe jetzt nur noch ein Problem. Wer von Euch beiden "erntet die Lorbeeren"? Ich kann nur einmal "hilfsreichste Antwort" vergeben, ihr habt es aber beide verdient!
Mir ists eigentlich egal. Ich bin nicht unbedingt darauf aus möglichst viele gute Bewertungen zu bekommen also gib sie einfach Enzi1 ;)
Danke dafür, dass Du mir die Entscheidung erleichtert hast. Einen schönen Tag noch :-)
oder hatte etwa Stephen Hawking unrecht? Das kann ich mir eigentlich nicht vorstellen
Ich mir schon, denn Hawking hat sich regelmäßig geirrt.
Zweifellos war Hawking intelligent, aber er hat es völlig zurecht nie zu einem Nobelpreis gebracht. Dafür hat er sich schlichtweg viel zu häufig geirrt und nur weniges von Bestand zusammengebracht.
Die Hawkingstrahlung z.B. ist nur eine von mehreren Annahmen, die Hawking getroffen hat, damit seine mathematischen Spielereien zum Thema Schwarze Löcher irgendeinen Sinn ergeben.
Im Laufe der Zeit musste er allerdings mehrere dieser Annahmen revozieren (zurücknehmen).
Das fing schon in den 1980er Jahren an:
http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-13522084.html
Aufgrund des verlorenen "Streites" mit Prigogine zog Hawking auch ganze Kapitel seines Buches "Eine kurze Geschichte der Zeit" zurück.
Die nächste wichtige Annahme musste er 2004 zurücknehmen.
Kurz vor seinem Tod behauptete er sogar, dass Schwarze Löcher gar keinen Ereignishorizont haben, womit die Hawkingsstrahlung dann endgültig hinfällig ist.
https://scilogs.spektrum.de/einsteins-kosmos/hawking-es-ereignishorizonte-schwarzer-loecher/
Letztlich wurde er weit über seine eigentlichen Leistungen hinaus gehypt, was an seiner Krankheit und dem Auftreten im Fernsehen lag.
Letztlich saß Hawking generell einem großen Irrtum auf, da er immer unterstellte, das Universum sei deterministisch und daher reduktionistisch erklärbar. Das hat sich inzwischen, letztlich durch Prigogine, als falsch erwiesen.
Sehr interessant Deine Bemerkungen. Hawking veranstaltete einmal eine Party für Besucher aus der Zukunft. Ort, Datum und Uhrzeit gab er nach der Party erst bekannt. Es kam allerdings Niemand :-). Interessanter Gedanke allerdings hätte ich hoch darauf gewettet, dass es nicht klappt.
Ob Deine Antwort wirklich hilfreich ist weiß ich noch nicht so genau, ich muss mir erst einmal die Links durchlesen. Ich kann nicht die Heisenbergsche Unschärferelation bzw. die Quantenfeldtheorien berechnen bzw. nachvollziehen und überprüfen. Ohne überheblich sein zu wollen, habe ich allerdings auch schon daran gedacht, ob Stephen Hawking mit allen seinen Äußerungen immer recht hatte. So z.B. wegen obiger Geschichte (ich glaube Zeitreisen sind höchsten in die Zukunft und nicht in die Vergangenheit möglich) aber auch wegen einigen anderen Theorien bzw. Hypothesen von ihm (wie die "Blockzeit" bzw. dem Determinismus). So gesehen bestätigst Du mich damit, ich dachte nämlich bisher immer das wahrscheinlich ich selbst "auf dem falschen Dampfer" bin.
Prigogine finde ich übrigens super. Ich hatte einmal die Idee, dass Chaos und Ordnung nur zwei Pole wie Plus und Minus, Schwarz und Weiß usw. sind und unsere Welt nur deshalb so funktionieren kann wie sie ist, weil es diese beiden Pole gibt. Viele Jahre später habe ich erst von Prigogine gelesen bzw. etwas auf YouTube gesehen, was dann meine Gedanken dann irgendwie bestätigt hat.
Ich hatte einmal die Idee, dass Chaos und Ordnung nur zwei Pole wie Plus und Minus, Schwarz und Weiß usw. sind und unsere Welt nur deshalb so funktionieren kann wie sie ist, weil es diese beiden Pole gibt.
Das kann ich bestätigen, so sehe ich das auch. Bildlich abstrakt kann man sich das so vorstellen, dass es große Gebiete mit hochwertiger Energie gibt und große Gebiete mit wertloser Energie (Wärme) gibt und in der Grenzschicht zwischen beiden, in der hochwertige Energie dissipiert (entwertet) wird, spielt sich alles Werden und Vergehen im Universum ab. Durch diese Dissipation entsteht zuerst Chaos, dann aber neue, höhere Ordnungsstrukturen. Diese neuen Ordnungstrukturen sind Emergenzen, das Zusammenspiel zwischen Ordnung und Chaos ist das deterministische Chaos.
Zu 1. bin ich vollkommen mit einverstanden, so habe ich mir das auch gedacht. Und dass Teilchen und Antiteilchen dieselbe Masse haben müssen, dachte ich auch. In einem 'Antiuniversum' wäre Materie die Antimaterie, soweit alles klar. Die Anzahl 50% / 50% habe ich nur sicherheitshalber in meinen Text noch erfasst falls Jemans das nicht glaubt.
Zu 2. Ich vermute für die 'wirkliche Erklärung' müsste ich die Heisenbergsche Unschärferelation bzw. die Quantenfeldtheorien berechnen bzw. nachvollziehen und überprüfen können, am besten unter Berücksichtigung relativistischer Effekte vermute ich. Also für mich nicht nachvollziehbar :-(.
Vielleicht hat für die 'wirkliche Erklärung' Jemand der voll den Durchblick hat aber eine andere, verbesserte und verfeinerte Analogie, welche Normalos wie mir logisch einleuchtet. Hoffe ich jedenfalls :-)